Dimensionamento Attuatori Rampa AW101

POLITECNICO DI MILANO

Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale

Dimensionamento Attuatori

Rampa AW101

Corso di Sistemi e Impianti Aerospaziali

prof. P.C. Astori

a cura di

Giorgio Montorfano

e

Riccardo Rota

A.A. 2013/2014

Dimensionamento Attuatori Rampa AW101 G. Montorfano, R. Rota

Sommario

1. Premessa ....................................................................................................................................... - 1 -

2. Elenco dei simboli .......................................................................................................................... - 2 -

3. Descrizione del problema e metodo di soluzione ............................................................................. - 3 -

3.1 Schema idraulico ................................................................................................................................. - 3 -

3.2 Corsa degli attuatori in funzione dell'angolo di chiusura .................................................................... - 3 -

3.3 Braccio della forza degli attuatori in funzione dell'angolo di chiusura ............................................... - 3 -

3.4 Forza degli attuatori in funzione della corsa ....................................................................................... - 4 -

3.5 Dimensionamento degli attuatori ....................................................................................................... - 4 -

3.6 Coefficiente k delle perdite di carico aggiuntive ................................................................................. - 4 -

4. Dati del problema .......................................................................................................................... - 5 -

5. Sviluppo dei calcoli ......................................................................................................................... - 6 -

5.1 Corsa degli attuatori ............................................................................................................................ - 6 -

5.2 Braccio degli attuatori ......................................................................................................................... - 6 -

5.3 Forza degli attuatori ............................................................................................................................ - 6 -

5.4 Dimensionamento degli attuatori ....................................................................................................... - 6 -

5.5 Coefficiente k delle perdite di carico aggiuntive ................................................................................. - 7 -

6. Riassunto risultati .......................................................................................................................... - 8 -

6.1 Corsa in funzione dell'angolo di apertura ........................................................................................... - 8 -

6.2 Braccio in funzione dell'angolo di apertura ......................................................................................... - 8 -

6.3 Forza in funzione della corsa ............................................................................................................... - 9 -

prof. P.C. Astori I A.A. 2013/2014

Dimensionamento Attuatori Rampa AW101 G. Montorfano, R. Rota

1. Premessa

La seguente relazione riporta lo studio del funzionamento di una coppia di attuatori idraulici utilizzati

per la chiusura e l'apertura della rampa di carico di un elicottero AW101.

In particolare, essa include:

 lo schema idraulico dell'impianto;

 i diagrammi:

o della corsa degli attuatori in funzione dell'angolo di chiusura della rampa;

o del braccio di forza degli attuatori in funzione dell'angolo di chiusura della rampa;

o della forza degli attuatori in funzione della loro corsa;

 il dimensionamento degli attuatori;

 il coefficiente delle perdite di carico aggiuntive , tali da limitare le velocità degli attuatori.

Rampa di carico AW101

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2. Elenco dei simboli

Pressione dal serbatoio [MPa]

Pressione di ritorno [MPa]

Coefficiente di perdite concentrate [-]

Posizione geometrica di un punto [mm]

Corsa dell’attuatore [mm]

Braccio della forza dell'attuatori [mm]

Angolo di apertura/chiusura rampa [°]

Forza degli attuatori [kN]

Massa rampa [Kg]

Lunghezza rampa [m]

Tempo di discesa rampa [s]

Spessore dello stelo [mm]

Diametro tubi [inch]

2

Area del cilindro [m ]

2

Area dello stelo [m ]

Diametro dello stelo [mm]

Velocità media discesa rampa [m/s] 3

Densità del liquido [kg/m ]

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3. Descrizione del problema e metodo di soluzione

3.1 Schema idraulico

Il sistema idraulico per il funzionamento degli attuatori è costituito da un serbatoio (A) al quale si

connettono sia il tubo ad alta pressione che quello a bassa pressione. Una pompa a cilindrata variabile (B)

spinge il fluido attraverso una valvola di non ritorno, collegata in parallelo con una valvola di sicurezza a due

posizioni di funzionamento (aperto/chiuso) (C): in questo modo il fluido è costretto a dirigersi verso il resto

dell'impianto. Successivamente il fluido ad alta pressione entra in una seconda valvola parzializzabile (D),

che abbassa la pressione fino a quella delle utenze (10.5 MPa) e passa attraverso la valvola di comando

(distributore) (E) progettata in modo che sia bidirezionale. Per garantire la discesa a velocità costante delle

rampa in 8 secondi, si inserisce, tra la valvola di comando e l'attuatore (G), un limitatore di velocità (F)

costituito da una strizione, che determina una perdita di carico, in parallelo ad una valvola di non ritorno

(così da consentire il funzionamento in una sola direzione dell'attuatore).

Si noti che la valvola di comando esclude la possibilità di cortocircuitare la linea di bassa pressione,

poiché, a causa delle diverse dimensioni delle aree del cilindro, il pistone non è bilanciato. Perciò si collega

al serbatoio la camera inferiore dell'attuatore, per compensare la differenza di portata tra le due camere.

Schema dell'impianto idraulico

3.2 Corsa degli attuatori in funzione dell'angolo di chiusura

Per determinare la corsa degli attuatori è necessario conoscere dapprima l'estensione dello stelo al suo

interno quando la rampa di carico è completamente chiusa, cioè quanto l'angolo di apertura è .

La corsa dell'attuatore risulta essere quindi la differenza tra la posizione della cerniera istante per

istante e la il precedente risultato. In tal modo la corsa massima risulta pari a circa 150 millimetri, quando la

rampa tocca terra a .

3.3 Braccio della forza degli attuatori in funzione dell'angolo di chiusura

La forza dell'attuatore agisce lungo la retta che unisce la cerniere e . Tale retta, in forma esplicita e

parametrizzata, è:

Poiché il braccio su cui la forza dell'attuatore agisce corrisponde alla distanza della cerniera dalla retta,

si ottiene che:

Il braccio è una funzione di dell'angolo di apertura perché e lo sono a loro volta. In particolare

raggiunge il suo valore massimo (350 millimetri) quando la rampa è chiusa.

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3.4 Forza degli attuatori in funzione della corsa

L'espressione della forza fornita dagli attuatori deriva dal bilancio dei momenti. Per ognuno dei due

attuatori si ha che:

La massa è dimezzata perché gli attuatori sono in serie; la lunghezza della rampa è anch'essa dimezzata

perché il suo baricentro si trova a metà.

Tuttavia, l'espressione di in funzione di non è di grande interesse, perciò si preferisce esprimerla in

funzione della corsa del pistone.

3.5 Dimensionamento degli attuatori

Per poter dimensionare correttamente l'attuatore è necessario che il martinetto sviluppi una forza

maggiore di quella massima richiesta, che si ha quanto la rampa è chiusa . Tenuto conto

che, a causa della presenza dello stelo, la pressione prodotta dalla pompa agisce su un'area inferiore di

quella sui cui agisce la bassa pressione (di ritorno), equilibrando le forze si deve ottenere:

Tuttavia, in una sola equazione si trovano due incognite. Per poterla risolvere si può imporre quale sia il

diametro dello stelo, così da ottenere quello del cilindro.

Infine, resta da valutare lo sforzo cui è soggetto lo stelo. Ricordando che lo stelo è cavo e supponendo

che abbia uno spessore di 2 millimetri, risulta che la forza dello stelo agisce sull'area di una corona

circolare. Valutando lo sforzo sulla base di questi dati, si ottiene che esso è sempre inferiore allo sforzo

massimo.

3.6 Coefficiente k delle perdite di carico aggiuntive

Se le perdite di carico sono abbastanza forti, la rampa di carico si apre a velocità quasi costante.

Definito:

è possibile determinare la portata volumetrica media per permettere l'apertura della rampa in 8 secondi:

A questo punto è possibile ricavare il coefficiente della perdite di carico aggiuntive utilizzando la

formula:

dove si ricava facendo il rapporto tra la portata media e l'area dei tubi. Inoltre dove

mentre si trova ponendo:

dove è la media aritmetica tra la forza massima e minima sviluppata dall'attuatore.

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4. Dati del problema

Lunghezza della rampa

Massa rampa + sovraccarico

Sforzo massimo dello stelo

Pressione impianto idraulico di coda

Pressione di ritorno (attuatore)

Tempo di discesa rampa

Diametro dei tubi

Distanza cerniere e

Densità fluido impianto

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5. Sviluppo dei calcoli

I calcoli riportati di seguito sono da considerarsi validi , tenuto conto che la posizione

della cerniera è espressa sempre dalla seguenti relazioni:

5.1 Corsa degli attuatori

5.2 Braccio degli attuatori

5.3 Forza degli attuatori

5.4 Dimensionamento degli attuatori

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