RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Modellazione dei sistemi meccanici per la diagnostica

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - ING.DELLE COSTR.MECC.,NUCL.RI,AERONAUTICHE E DI METALLURGIA - BOLOGNA(BO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Umberto MENEGHETTI

Descrizione

1. GENERALITÀ. La ricerca è orientata alla identificazione delle cause di malfunzionamenti nei meccanismi impiegati nelle macchine industriali, mediante l'impiego di opportuni modelli elastodinamici dei meccanismi stessi. Un modello deve essere in grado di prevedere il comportamento vibrazionale del meccanismo, sia in assenza, sia in presenza di un difetto o di un danneggiamento, causa a sua volta del malfunzionamento della macchina. Rilevando sperimentalmente il comportamento vibratorio della macchina durante il suo normale funzionamento, è possibile riconoscere, analizzando un'eventuale variazione di tale comportamento, la presenza di una difettosità, prima che essa possa produrre effetti catastrofici. Il modello elastodinamico della macchina permette di individuare a priori quali parametri del comportamento dinamico siano - caso per caso - da tenere sotto particolare sorveglianza, perché più significativi per i possibili difetti che possono insorgere, appunto, in ogni specifico caso. Solo disponendo di un adeguato modello elastodinamico è poi possibile effettuare una effettiva diagnostica, cioè non solo riconoscere la presenza di una difettosità, ma anche individuare con ragionevole sicurezza di quale difetto si tratti e quale organo ne sia affetto. Una corretta diagnostica è evidentemente essenziale per una efficace manutenzione sotto condizione, ma può risultare molto utile anche nella messa a punto di prototipi, facilitando l'identificazione degli eventuali difetti e l'individuazione dei relativi rimedi. 2. LA MODELLAZIONE ELASTODINAMICA. La modellazione elastodinamica dei meccanismi è stata già ampiamente messa a punto dai ricercatori della presente Unità di Ricerca, che l'hanno utilizzata sia per fini diagnostici (unitamente a sofisticate tecniche di analisi del segnale sui rilievi sperimentali di vibrazioni), sia come ausilio per la progettazione di meccanismi ad alte prestazioni. La presente ricerca si propone di particolarizzare la tecnica generale della modellazione elastodinamica per l'impiego in alcuni importanti casi specifici, che, appunto per le loro specificità, possono anche offrire l'occasione per evidenziare problemi e suggerire perfezionamenti di carattere generale alla tecnica stessa. Nella presente ricerca verranno considerati principalmente i meccanismi con camme, gli ingranaggi, i cuscinetti a rotolamento e i rotori. La ricerca verrà condotta per via teorica e sperimentale: si definiranno preliminarmente la base di conoscenza, le metodologie di modellazione dei sistemi meccanici e dei loro malfunzionamenti, le tecniche di identificazione dei parametri del modello e dei difetti e un prototipo virtuale sul quale affinare tali tecniche; laddove possibile, si passera' poi all'applicazione sperimentale e, in tal caso, verranno effettuati rilievi di vibrazione in assenza ed in presenza di danni e malfunzionamenti. 2.a) Per quanto riguarda i MECCANISMI CON CAMME e gli INGRANAGGI, si prendera' in esame il sistema della distribuzione di un motore motociclistico a 4 tempi destinato alle competizioni sportive. In tale contesto, sono richieste prestazioni sempre crescenti, in termini di potenza erogata, velocità di funzionamento e affidabilità. Come è ben noto, sulla base dei risultati di precedenti ricerche, tali prestazioni sono fortemente influenzate dalle leggi di moto delle valvole e dal comportamento dinamico dell'intero meccanismo di distribuzione. Nel caso in esame, il sistema meccanico e' sostanzialmente costituito da un treno di ingranaggi, che trasmette il moto dall'albero a gomiti agli alberi a camme, e da meccanismi a camma desmodromici per l'azionamento delle valvole. Malfunzionamenti funzionali, quali fenomeni di rimbalzo delle valvole in fase di chiusura, distacchi e urti nelle coppie cinematiche, sovraccarichi negli ingranamenti, possono portare da un lato ad una riduzione della potenza erogata dal motore e, dall'altro, ad un incremento delle sollecitazioni tale da causare precoci rotture di alcuni organi o il loro deterioramento. Risulta pertanto essenziale mettere a punto strumenti operativi atti a prevedere e diagnosticare le cause di tali effetti dinamici in modo da definire modalità di intervento ai fini della riduzione delle sollecitazioni e dei livelli vibratori. I risultati conseguiti in ambito agonistico, potranno poi trovare una ricaduta positiva anche per quanto riguarda la normale produzione, laddove, ai fattori sopra esposti, si affianca il contenimento dei valori di vibrazione e rumorosità entro i limiti posti dalla normativa di collaudo. In una prima fase lo studio si baserà sul perfezionamento e lo sviluppo di un modello cinetoelastodinamico del meccanismo di distribuzione, gia' utilizzato dal gruppo proponente in precedenti ricerche, che permetterà un'adeguata simulazione del comportamento vibratorio del sistema. In particolare si intende estendere il modello includendo anche la trasmissione ad ingranaggi, non presente nei modelli precedentemente sviluppati. A questo riguardo, precedenti attività di ricerca hanno portato ad acquisire una significativa esperienza sia sulla modellazione elastodinamica degli ingranaggi, sia sulle tecniche avanzate di analisi delle vibrazioni finalizzate all'identificazione dei loro malfunzionamenti. Si intende pertanto applicare tali tecniche al sistema di distribuzione oggetto del presente programma di ricerca. Nella seconda fase, la validazione del modello verrà condotta sulla scorta di risultati sperimentali ottenuti mediante misure condotte su un banco prova strumentato per testate motociclistiche già realizzato per precedenti ricerche e presente nel laboratorio del DIEM e su un banco prova in allestimento presso l'azienda costruttrice. I segnali, acquisiti impiegando il vibrometro laser ad alta velocita' Polytec HSV-2002 e l'acquisitore NI PXI, verranno elaborati mediante opportune tecniche di analisi. Infine, nella terza ed ultima fase, il modello verra' impiegato per individuare le cause degli effetti dinamici indesiderati. L'attività relativa alla modellazione elastodinamica e alla diagnostica degli ingranaggi sarà svolta interagendo con l'unità operativa di Ferrara, anche con lo scambio di dati sperimentali; le due unità saranno infatti impegnate entrambe su questo argomento, con ingranaggi di tipologie differenti e destinati a differenti applicazioni, ma con ovvie opportunità di proficue interazioni. 2.b) Per quanto riguarda i CUSCINETTI A ROTOLAMENTO, verra' perfezionato un modello elastodinamico non lineare a molti gradi di libertà, gia' utilizzato dal gruppo proponente in precedenti ricerche, volto a studiare il comportamento dinamico di un cuscinetto in presenza di un danno superficiale su una pista o su un corpo rotolante. Il modello, che sarà validato sperimentalmente, dovrà fornire informazioni utili a perfezionare le tecniche di identificazione dei malfunzionamenti. Esso permettera' di valutare l'andamento delle forze trasmesse fra i singoli corpi rotolanti e gli anelli, sia in condizioni di cuscinetto integro, sia in presenza di un danno superficiale. Poiche' tali forze sono la causa che eccita le vibrazioni rilevate sul carter della macchina, il modello permettera' di correlare le caratteristiche del segnale vibratorio rilevato con il malfunzionamento che interessa diagnosticare. I risultati verranno convalidati nella fase sperimentale che concluderà la ricerca. La sperimentazione verra' condotta su un piccolo banco prova gia' allestito per precedenti esperienze, impiegando gli acquisitori gia' disponibili e la strumentazione che si intende acquistare con i fondi richiesti per questo progetto, in particolare la scheda Multifunction NI PXI-6120. 2.c) Per quanto riguarda i ROTORI, lo studio qui proposto prevede lo sviluppo di tecniche di identificazione di difetti, già impiegate dallo stesso gruppo di ricercatori per sistemi elementari, basate sulla definizione preliminare di analisi di sensibilità tra i vari parametri dei modelli e sulla utilizzazione ibrida di più relazioni e parametri, rilevati ai fini di diminuire l'incertezza nella identificazione del danno. La ricerca verrà condotta per via teorica e sperimentale, mediante definizione preliminare della base di conoscenza, delle tecniche di identificazione, di un prototipo virtuale sul quale affinare tali tecniche, e l'applicazione sperimentale relativa ad una struttura complessa, sulla quale verranno effettuati rilievi di vibrazione in assenza ed in presenza di un danno reale. La tecnica verrà applicata ad un sistema costituito da un rotore, un telaio, alcuni elementi strutturali secondari e i cuscinetti volventi di accoppiamento. L'apparecchiatura e' in corso di allestimento per una ricerca gia' in corso, che richiedera' peraltro alcune modifiche; e' previsto altresi' l'impiego dei trasduttori che si intendono acquistare con i fondi richiesti per questo progetto. Verranno evidenziate le condizioni utili ai fini della possibile diagnosi di un difetto strutturale o di un danneggiamento negli accoppiamenti, come l'entità di danno minima rilevabile, il numero e la natura dei rilievi minimi necessari alla corretta stima del danno, la possibilità di rilievo dell'entità del danno e della sua localizzazione spaziale, ai fini dell'applicazione della tecnica in sede di diagnostica industriale. Per l'attività relativa ai rotori sono previsti scambi di metodi diagnostici, di tecniche di identificazione e di dati sperimentali con l'unita' operativa del Politecnico di Milano.