RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Modellazione dei sistemi meccanici per la diagnostica

Università di riferimento

Università degli Studi di FERRARA - INGEGNERIA - FERRARA(FE)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giorgio DALPIAZ

Descrizione

OGGETTO E FINALITA' DELLA RICERCA La ricerca riguarda la diagnostica di sistemi meccanici con ingranaggi, condotta mediante la loro modellazione elastodinamica non lineare, tenendo conto dei fenomeni dinamici presenti e degli effetti dei guasti. L'obiettivo è quello di sviluppare metodologie e strumenti applicativi atti a condurre il processo diagnostico in modo affidabile, sulla base del confronto tra simulazioni del comportamento dinamico e risultati sperimentali. Come già evidenziato alla sezione 2.4, gli effetti dinamici presenti nei sistemi meccanici con ingranaggi sono estremamente complessi, a causa delle numerose eccitazioni che interagiscono con le proprietà dinamiche dell'intero sistema, in presenza di effetti non lineari. Perciò nella ricerca si terrà presente tali interazioni, mettendo in conto il comportamento dinamico dei sistemi meccanici nel loro complesso. I malfunzionamenti presi in considerazione saranno: - Guasti negli ingranaggi (fratture di fatica nei denti, spalling e simili); - Errori di costruzione e montaggio degli ingranaggi e degli alberi (errori di profilo, errori geometrici, eccentricità, ecc.) - Problematiche funzionali, dovute all'interazione tra le eccitazioni e le proprietà dinamiche del sistema, come eccessivi livelli di vibrazione, rumore e sollecitazioni. Riguardo a tali problematiche funzionali, si rileva come possono essere estremamente importanti in sistemi operanti a velocità relativamente elevate, il cui comportamento dinamico risulta profondamente influenzato dalla cedevolezza elastica dei membri, dalla distribuzione delle inerzie, dagli effetti dei giochi e dell'attrito nelle coppie cinematiche e da errori di costruzione e montaggio. Di conseguenza si possono avere elevati livelli di vibrazione e rumore (non accettabili per ragioni funzionali o di confort); inoltre le elevate accelerazioni e sollecitazioni possono produrre il rapido sviluppo di danni di fatica; infine, le alterazioni dell'effettivo movimento rispetto a quello teorico possono essere di entità tale da pregiudicare l'appropriato svolgimento della funzione. Dal punto di vista dell'applicazione industriale, vi è una forte necessità di metodologie affidabili e strumenti applicativi atti a identificare con precisione le cause di guasti, prestazioni insoddisfacenti e problematiche funzionali, come eccessivi livelli di vibrazione e rumore. Tale necessità è sentita non solo per sistemi meccanici in produzione (diagnostica in condizioni di esercizio), ma anche nella fase di sviluppo di prototipi. In questa fase, infatti, la disponibilità di affidabili modelli dinamici permette di prevedere le interazioni complesse tra i parametri costruttivi e funzionali e di fornire utili indicazioni per l'eliminazione dei malfunzionamenti e l'ottimizzazione del progetto. Pertanto, la fase di sviluppo dei prototipi risulta facilitata ed abbreviata, si riduce il numero di prototipi da realizzare e provare sperimentalmente, con evidenti vantaggi sui tempi e sui costi di sviluppo. In questo contesto, ci si propone di sviluppare opportuni modelli cinetoelastodinamici dei sistemi in esame da impiegarsi nei processi diagnostici. Infatti, tali modelli permetteranno di studiare gli effetti dei vari malfunzionamenti sul comportamento dinamico dello specifico sistema, allo scopo di: - Identificare i malfunzionamenti e le loro cause sulla base del confronto tra simulazioni e risultati sperimentali; - Identificare modifiche progettuali atte ad eliminare le cause dei malfunzionamenti, grazie al miglioramento del comportamento dinamico del sistema; - Sviluppare efficaci tecniche di analisi del segnale per il monitoraggio e la diagnostica degli ingranaggi, sulla base di una migliore conoscenza della dinamica dei sistemi. Come menzionato nella sezione 2.4, il confronto tra le simulazioni ed i risultati sperimentali non è immediato. Infatti, i modelli forniscono risultati relativi a grandezze funzionali del sistema meccanico in movimento (come vibrazioni torsionali delle ruote e forze agenti sulle ruote stesse), che non possono essere confrontate direttamente con le vibrazioni della scatola, a fini diagnostici. Per operare il confronto è necessario misurare direttamente tali grandezze funzionali o, in alternativa, stimare indirettamente tali grandezze a partire dalle vibrazioni della scatola, per mezzo di tecniche di filtraggio inverso. La prima alternativa è possibile solo in prove su prototipi; la seconda è obbligata in condizioni operative. A questo riguardo, saranno condotte le seguenti attività: - Rilievo sperimentale diretto di grandezze funzionali dei sistemi meccanici in studio (v. oltre): oscillazioni torsionali e coppie sugli alberi delle ruote, forze di reazione sul telaio; - Confronto di tali misure dirette con i risultati delle simulazioni, a fini diagnostici; - Sviluppo di tecniche sperimentali per la determinazione di filtri inversi e loro impiego per la stima di grandezze funzionali a partire dalla misura delle vibrazioni del telaio; - Confronto di tali stime con i risultati delle simulazioni, a fini diagnostici. SISTEMI MECCANICI OGGETTO DELLA RICERCA I sistemi meccanici impiegati nella ricerca saranno un banco prova per rotori e pompe ad ingranaggi esterni per applicazioni motoristiche. Il primo sistema permette di condurre prove in presenza di eccitazioni di origine solo meccanica e di introdurre difetti noti; il secondo sistema presenta interazioni tra le eccitazioni di ingranamento e quelle di pressione. Banco prova rotori - E' costituito da due motori elettrici azionati da inverter, che forniscono rispettivamente la coppia motrice e quella resistente, ed un riduttore ad ingranaggi a due stadi interposto; gli alberi sono collegati da giunti mobili; è possibile creare piccoli disallineamenti angolari e paralleli tra gli alberi. Il banco è in fase di completamento e verrà terminato nei prossimi mesi con finanziamenti esterni al presente progetto; sarà invece a carico di questo progetto la strumentazione di rilievo dei segnali. Pompe ad ingranaggi - Il gruppo di ricerca si è occupato della modellazione di tali componenti anche in precedenti ricerche. Inoltre è disponibile un banco prova che consente di azionare le pompe a diverse velocità e pressioni di esercizio e di rilevare le vibrazioni del corpo pompa, le componenti delle forze sul telaio per mezzo di celle di carico, e la pressione sonora. Nelle pompe ad ingranaggi vi sono interazioni fra fenomeni dinamici di varia natura, influenzati dai parametri costruttivi e funzionali del sistema; se ne riportano i principali. La distribuzione di pressione sulle ruote dipende, tra l'altro, dagli effettivi giochi tra ruote e corpo pompa (influenzati dal profilo del corpo dopo il rodaggio) e dalla forma e dimensioni del 'ponte' che separa i volumi di mandata ed aspirazione; i cuscinetti idrodinamici hanno un comportamento non lineare; le forze di ingranamento sono influenzate dall'eccitazione parametrica dovuta agli errori di profilo ed alla rigidezza di ingranamento variabile (dipendente dai parametri di dentatura); eccitazioni possono derivare anche dal giunto di collegamento al motore. Una delle problematiche più rilevanti delle pompe ad ingranaggi per applicazioni motoristiche è il livello di rumore emesso, che deve essere contenuto entro limiti sempre più ristretti, per motivi di confort. Sulla base dei rilievi sperimentali condotti, il rumore emesso da questo tipo di pompe - funzionanti a velocità relativamente elevate e pressioni relativamente basse - non è solo di origine fluidodinamica, ma presenta importanti componenti dovute alle vibrazioni di origine meccanica. Tali componenti risultano molto influenzate dai parametri geometrici e funzionali, dagli errori costruttivi e di montaggio (in particolare, dagli errori geometrici degli ingranaggi) e dal disallineamento nel giunto di collegamento tra la pompa ed il motore elettrico. ATTIVITA' Tenendo conto che precedenti attività di ricerca hanno portato il gruppo di ricerca ad acquisire una significativa esperienza sia sulle tecniche sperimentali avanzate di analisi delle vibrazioni per la diagnostica degli ingranaggi, sia sulla loro modellazione elastodinamica, le finalità della ricerca verranno perseguite tramite le attività di seguito indicate. A) Sviluppo dei modelli elastodinamici dei due sistemi meccanici in studio - Riguardo al banco prova rotori, il modello non lineare a parametri concentrati terrà conto principalmente delle distribuzioni delle inerzie, delle rigidezze torsionali degli alberi, della rigidezza di ingranamento variabile, degli errori di profilo ed altri errori geometrici e di fratture di fatica nei denti. Nel caso delle pompe ad ingranaggi, precedenti ricerche hanno già portato allo sviluppo di un modello cinetoelastodinamico non lineare a sei gradi di libertà, che include le principali eccitazioni ed effetti dinamici presenti nel sistema. In maggior dettaglio, vengono modellati la rigidezza di ingranamento variabile, la distribuzione di pressione variabile sulle ruote dentate, i cuscinetti fluidodinamici e la cedevolezza torsionale dell'albero motore. Il modello verrà sviluppato per simulare la distribuzione di pressione con migliore precisione, tenendo conto dell'effettiva variazione di pressione nei volumi di mandata, di aspirazione e in quello tra i contatti (zona del 'ponte') e dell'effettivo profilo del corpo pompa dopo rodaggio; si dovrà inoltre stimare i tipici errori di profilo ed introdurne l'effetto nel modello; il modello dovrà poi essere in grado di simulare gli effetti di modifiche alla dentatura, comprendenti dentatura elicoidale e bombatura; infine, si dovrà modellare il comportamento non lineare del giunto di collegamento al motore. B) Implementazione dei trasduttori e del sistema di acquisizione sul banco rotori: le grandezze da rilevare saranno le accelerazioni in vari punti della scatola del riduttore, le oscillazioni torsionali degli alberi tramite encoders, i cui segnali verranno elaborati da counters, le coppie sugli alberi tramite opportuni trasduttori e le reazioni sul telaio tramite celle di carico. Sul banco rotori, verrà predisposto un sistema di acquisizione integrato dei segnali di tali trasduttori. C) Messa a punto delle tecniche di analisi dei segnali e delle procedure di filtraggio inverso; sviluppo delle metodologie e codici di calcolo (in ambiente Matlab-Simulink) atti ad operare un efficace confronto tra risultati sperimentali e numerici a fini diagnostici; verranno applicate tecniche avanzate di analisi del segnale sia nel dominio del tempo (demodulazione, stima del segnale residuo), sia nei domini della frequenza e tempo-frequenza. D) Conduzione delle prove sperimentali con diverse tipologie di ingranaggi, in diverse condizioni operative ed in presenze di vari malfunzionamenti (v. sopra); acquisizione ed analisi dei dati; validazione dei modelli e delle metodologie diagnostiche. Tenendo conto che l'Unità di ricerca di Bologna svolge una ricerca sulla modellazione elastodinamica per la diagnostica di vari organi della macchine, in cui sono inclusi meccanismi con ingranaggi, alcune delle attività sopra descritte saranno svolte con forti interazioni con l'Unità di ricerca di Bologna. In particolare, la complementarietà è resa possibile dal fatto che le metodologie e gli strumenti software impiegati dalle due Unità per la modellazione elastodinamica e l'analisi dei segnali sperimentali sono compatibili. Inoltre, mentre l'Unità di Ferrara svolgerà una ricerca ad ampio spettro sulla modellazione elastodinamica per la diagnostica degli ingranaggi, l'Unità di Bologna potrà applicare in parte i risultati di tale ricerca per sviluppare la modellazione e le tecniche diagnostiche dei meccanismi della distribuzione che includono treni di ingranaggi. Le due Unità si scambieranno anche dati sperimentali per la validazione delle tecniche diagnostiche sviluppate. Inoltre, l'Unità di Ferrara interagirà in modo specifico anche con l'Unità di Milano nello scambio di tecniche diagnostiche e dei relativi strumenti applicativi. FASI DELLA RICERCA In questo contesto e sulla base di premesse precedenti, il programma ed i compiti dell'Unità di Ricerca, suddivisi in due fasi (da realizzare in ciascuno dei due anni del programma di ricerca), sono i seguenti. Prima fase: messa a punto dei modelli e dell'apparato sperimentale e conduzione delle prove sperimentali. In particolare verranno svolti i seguenti compiti. - Messa a punto dei modelli: definizione dei criteri, delle metodologie e degli strumenti operativi (in ambiente Matlab-Simulink) di modellazione dei sistemi meccanici; modellazione dei fenomeni dinamici, delle non linearità, delle modifiche progettuali e degli effetti dei guasti. - Messa a punto dell'apparato sperimentale e delle metodologia di prova, finalizzata ad acquisire dati utili per l'interazione con i modelli. - Messa a punto delle procedure di filtraggio inverso, atte a mettere in relazione le grandezze stimate dal modello e le vibrazioni misurate sul telaio (apparato sperimentale, metodologia di prova, elaborazione delle misure). - Conduzione delle prove sperimentali e acquisizione dati. Seconda fase: convalida sperimentale delle tecniche e conclusioni sulla validità delle metodiche proposte. In particolare verranno svolti i seguenti compiti. - Messa a punto di metodologie e codici di calcolo (in ambiente Matlab-Simulink) atti ad operare un efficace confronto tra risultati sperimentali e numerici a fini diagnostici. - Validazione dei modelli, in diverse configurazioni progettuali e in diverse condizioni operative. Conseguente messa a punto finale dei modelli. - Conclusioni sulla validità e sui limiti di impiego dei modelli e delle metodologie diagnostiche, dopo verifica in ampi campi dei parametri funzionali e costruttivi. - Conclusioni sulle relazioni esistenti tra i parametri funzionali e costruttivi dei sistemi meccanici, i fenomeni dinamici e vibratori e la rumorosità (per le pompe). - Preparazione dei prodotti della ricerca: pubblicazioni contenenti i criteri, le metodologie ed i risultati; codici di calcolo tra loro integrati, relativi sia ai modelli sia agli strumenti diagnostici basati sul confronto numerico-sperimentale; manuali d'uso dei codici di calcolo.