IT201800003317A1

IT201800003317A1 - Dispositivo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare

Info

Publication number: IT201800003317A1
Application number: IT102018000003317A
Authority: IT
Inventors: Andrea Cambiaghi
Original assignee: Centrotecnica S R L
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2019-09-06

Description

Descrizione di una domanda di brevetto per invenzione industriale

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare.

Come noto nella tecnica attuale rivestono notevole importanza le prove di laboratorio atte a determinare l’integrità e l’affidabilità strutturale dei manufatti.

Tali prove, un tempo limitate agli ambiti aeronautico e militare e successivamente diffuse in campo automobilistico e ferroviario, stanno ora investendo tutti i campi tecnologici relativi a componentistica elettronica ed elettromeccanica, computeristica, ecc.

Un dispositivo per effettuare prove di vibrazione random comprende un telaio che supporta uno o più piani di lavoro collegati o collegabili ad un generatore di vibrazioni.

Le vibrazioni possono essere impresse con tecnologia elettrodinamica o idraulica.

Le prove di vibrazione possono essere eseguite con vibrazioni lungo un asse verticale e/o lungo un asse orizzontale.

Un piano di lavoro destinato alle prove di vibrazione lungo un asse verticale è in genere differente da un piano di lavoro utilizzato alle prove di vibrazione lungo un asse orizzontale.

Per l’esecuzione di prove di vibrazione lungo un asse orizzontale infatti si ricorre in genere a speciali piani di lavoro denominati in gergo “slip table” che sono essenzialmente delle tavole che galleggiano su un velo di olio pressurizzato ed interposto tra le tavole stesse ed un elemento di sostentamento idrostatico.

Questo sistema consente di sostenere e guidare il piano di lavoro con minimo attrito.

Eventualmente il dispositivo, può comprendere degli espansori in gergo denominati “expander” che hanno la funzione principale di espandere il piano di lavoro.

I piani di lavoro per le prove di vibrazione verticale e orizzontale e gli espansori possono essere integrati in un unico dispositivo.

Un tipo di vibrazioni presenti in natura è la vibrazione random, la cui ampiezza si comporta in modo completamente casuale e pertanto la sua ampiezza nel dominio tempo ha una distribuzione gaussiana.

Da un punto di vista puramente teorico è possibile avere in alcuni momenti uno spostamento tendente all’infinito. Questa caratteristica crea problemi durante la riproduzione in laboratorio di vibrazioni random in quanto i piani di lavoro vibranti utilizzati hanno caratteristiche di accelerazione, velocità e corsa limitate. L’intensità della vibrazione coincide con la media quadratica denominata sigma σ, ovvero la probabilità di spostamenti di grande ampiezza diminuisce secondo la legge gaussiana proporzionalmente all’ampiezza stessa come mostrato nella figura 1.

Nella pratica di laboratorio si limita la riproduzione della vibrazione troncando la gaussiana oltre un determinato fattore di copertura.

Ad esempio limitando l’accelerazione del banco vibrante ad un fattore di copertura k pari a 3 è possibile riprodurre il 99,73% della vibrazione, mentre il restante 0,27% verrà limitato al valore 3 σ. La limitazione sulla accelerazione del banco vibrante si ottiene facilmente agendo sul segnale inviato allo stesso che è usualmente proporzionale alla forza che il banco sta esercitando per riprodurre la vibrazione.

Tuttavia l’effetto della limitazione sulla accelerazione si annulla osservando lo spostamento, in quanto la doppia integrazione che avviene dal punto di vista fisico annulla gli effetti della troncatura della accelerazione.

Si troverà quindi una gaussiana in termini di spostamento che nuovamente presenterà escursioni, di piccola durata, oltre i 3σ. Se il piano di lavoro esce dalla sua corsa normalmente produce un allarme ed interrompe la riproduzione della vibrazione.

Tale condizione costringe all’uso di piani di lavoro di lunga corsa, infatti per poter riprodurre la vibrazione, il piano dovrà poter effettuare una corsa almeno 12 volte (fattore di copertura 6) superiore alla media quadratica dello spostamento, in modo da poter eseguire tutti i picchi di spostamento senza uscire dalla corsa disponibile.

Quindi ad esempio se lo spostamento quadratico medio di una vibrazione è pari a ±10 mm si deve prevedere uno spostamento massimo di almeno 6 x 10 mm = 60 mm e quindi poiché lo spostamento è sia positivo che negativo una corsa del piano di lavoro di almeno 120 mm totali.

Compito tecnico che si propone la presente invenzione è, pertanto, quello di realizzare un dispositivo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare che consenta di eliminare gli inconvenienti tecnici lamentati della tecnica nota. Nell’ambito di questo compito tecnico uno scopo dell’invenzione è quello di realizzare un dispositivo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare che limiti la corsa di una vibrazione random al di sotto di un fattore noto.

Non ultimo scopo dell’invenzione è quello di realizzare un dispositivo estremamente compatto per effettuare prove di vibrazione random di su un oggetto da testare.

Il compito tecnico, nonché questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un dispositivo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare, comprendente un generatore di vibrazioni random ed almeno un piano di lavoro vibrante collegato a detto generatore di vibrazioni random, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di limitazione della corsa di vibrazione random di detto piano di lavoro configurati per assoggettare detto piano di lavoro vibrante ad una forza impulsiva di intensità progressiva producente un impulso di accelerazione di durata tale da non alterare la natura random delle vibrazioni generate da detto generatore.

I mezzi di limitazione della corsa di vibrazione random di detto piano di lavoro possono essere meccanici o elettronici.

Grazie all’invenzione è dunque possibile l’esecuzione di prove di vibrazione di elevato spostamento su piani di lavoro vibranti di corsa limitata.

La presente invenzione rivela altresì un metodo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare con un dispositivo comprendente un generatore di vibrazioni random ed almeno un piano di lavoro vibrante collegato a detto un generatore di vibrazioni random, caratterizzato dal fatto di limitare la corsa di vibrazione random di detto piano di lavoro al di sotto di un fattore noto dello spostamento quadratico medio assoggettando detto piano di lavoro vibrante ad una forza impulsiva di intensità progressiva producente un impulso di accelerazione di durata tale da non alterare la natura random delle vibrazioni generate da detto generatore.

Altre caratteristiche della presente invenzione sono definite, inoltre, nelle rivendicazioni successive.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di forme di esecuzione preferita ma non esclusiva del dispositivo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare secondo il trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra la distribuzione gaussiana di vibrazioni random generate da un generatore di vibrazioni random di un dispositivo conforme all’invenzione;

la figura 2 mostra schematicamente un dispositivo conforme all’invenzione per la prova di vibrazione lungo un asse verticale; la figura 3 mostra uno shaker elettrodinamico in cui i mezzi di limitazione della corsa del piano di lavoro sono di tipo elettronico; e

la figura 4 illustra il grafico ripotante in ordinate l’andamento della forza impulsiva generata dai mezzi di limitazione, sia quelli meccanici della soluzione di figura 2 sia quelli elettronici della soluzione di figura 3, ed in ascisse la posizione del piano di lavoro. Con riferimento alle figure citate, viene mostrato un dispositivo 1 per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto 2 da testare.

Il dispositivo 1 comprende un generatore 4 di vibrazioni random, ad esempio un generatore di vibrazione elettrodinamico, ed almeno un piano 5 di lavoro vibrante collegato al generatore 4 di vibrazioni random.

Il generatore di vibrazioni 4 è supportato da un basamento 3.

L’oggetto da testare 2 è posizionabile stabilmente sul piano di lavoro 5.

Il dispositivo 1 vantaggiosamente comprende mezzi di limitazione della corsa di vibrazione random del piano di lavoro 5 configurati per assoggettare il piano di lavoro 5 ad una forza impulsiva di intensità progressiva producente un impulso di accelerazione di durata tale da non alterare la natura random delle vibrazioni generate dal generatore 4.

Facciamo ora riferimento alla soluzione mostrata in figura 2.

In figura 2 è stato indicato con z l’asse verticale lungo cui vibra il piano di lavoro 5, e con 0 la posizione assunta a riposo dal piano di lavoro 5.

I mezzi di limitazione sono di natura meccanica e comprendono almeno un fine corsa fisso 9, 10 supportato da un basamento 3 del dispositivo 1 ed un tampone elastico 7, 8 interposto tra il fine corsa fisso 9 ed il piano di lavoro 5.

Nella soluzione mostrata è previsto in particolare un fine corsa superiore 9 posizionato al di sopra del piano di lavoro 5 ed un tampone superiore 7 posizionato al di sopra del piano di lavoro 5 ed interposto tra quest’ultimo ed il fine corsa superiore 9.

Nella soluzione mostrata è inoltre previsto un fine corsa inferiore 10 posizionato al di sotto del piano di lavoro 5 ed un tampone inferiore 8 posizionato al di sotto del piano di lavoro 5 ed interposto tra quest’ultimo ed il fine corsa inferiore 10.

Il tampone superiore 7 è più precisamente fissato al fine corsa superiore 9 mentre il tampone inferiore 8 è fissato al fine corsa inferiore 10.

Ciascun tampone elastico 7, 8 è configurato per incrementare progressivamente la superficie di contatto con il piano di lavoro 5. In particolare dunque ciascun tampone elastico 7, 8 presenta come illustrato forma arrotondata o in alternativa anche conica o piramidale.

Vantaggiosamente sono anche previsti appositi mezzi di regolazione della posizione di ciascun fine corsa 9, 10.

I mezzi di regolazione della posizione di ciascun fine corsa 9, 10 comprendono almeno una guida verticale fissa 11, 12 lungo cui è fissabile in posizione regolabile il corrispondente fine corsa 9, 10. Nella figura 2 il fine corsa superiore 9 è fissato ad una quota z1 al di sopra della posizione di riposo del piano di lavoro 5, mentre il fine corsa inferiore 10 è fissato ad una quota z2 al di sotto della posizione di riposo del piano di lavoro 5.

La quota z1 del fine corsa superiore 9 al di sopra della posizione di riposo del piano di lavoro 5, e la quota z2 del fine corsa inferiore 10 presentano lo stesso valore assoluto.

La regolazione della quota di ciascun fine corsa 9, 10 può essere manuale o anche motorizzata e può prevedere ad esempio l’uso di viti micrometriche o di altri sistemi noti che permettono la regolazione fine della posizione del fine corsa 9, 10 lungo la corrispondente guida verticale 11, 12.

Facciamo ora riferimento all’elettro shaker 1 mostrato in figura 3. In figura 3 è stato indicato con z l’asse verticale lungo cui vibra il piano di lavoro 5, e con 0 la posizione assunta a riposo dal piano di lavoro 5.

I mezzi di limitazione sono di natura elettronica e comprendono in questo caso un sensore 20 di posizione del piano di lavoro 5 ed un controllore elettronico 21

Il sensore di posizione 20, supportato tato dal basamento 3, rivela la quota del piano di lavoro 5 e la comunica al controllore elettronico 21 che pilota conseguentemente il generatore di vibrazioni random 4.

I dispositivi 1 a cui si è fatto fino ad ora riferimento prevedono un piano di lavoro 5 supportato con possibilità di vibrazione in direzione verticale.

Un dispositivo conforme all’invenzione può tuttavia prevedere un piano di lavoro supportato con possibilità di vibrazione in direzione orizzontale, in particolare una “slip table”, senza che cambi l’essenza dell’invenzione. In tal caso è previsto ad esempio un fine corsa destro posizionato a destra della posizione di riposo del piano di lavoro ed un tampone destro interposto tra il fine corsa destro ed il piano di lavoro, ed è previsto inoltre un fine corsa sinistro posizionato a sinistra della posizione di riposo del piano di lavoro ed un tampone sinistro interposto tra il fine corsa sinistro ed il piano di lavoro. Il tampone destro può essere fissato al fine corsa destro mentre il tampone sinistro può essere al fine corsa sinistro. I mezzi di regolazione della posizione di ciascun fine corsa possono comprendere almeno una guida orizzontale lungo cui è fissabile in posizione regolabile il corrispondente fine corsa.

Inoltre un dispositivo conforme all’invenzione può prevedere sia un piano di lavoro supportato con possibilità di vibrazione in direzione verticale sia un piano di lavoro supportato con possibilità di vibrazione in direzione orizzontale, ciascuno munito di corrispondenti mezzi meccanici di limitazione della corsa di vibrazione random, senza che cambi l’essenza dell’invenzione. Inoltre il dispositivo conforme all’invenzione può prevedere che un piano di lavoro interagente con i mezzi di limitazione della corsa di vibrazione random sia un “expander”.

Il metodo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare prevede di limitare la corsa di vibrazione random del piano di lavoro al di sotto di un fattore noto dello spostamento quadratico medio assoggettando il piano di lavoro vibrante ad una forza impulsiva F di intensità progressiva producente un impulso di accelerazione di durata tale da non alterare la natura random delle vibrazioni generate dal generatore.

La corsa di una vibrazione random in particolare è limitata al di sotto di un fattore di copertura noto dello spostamento quadratico medio σ preferibilmente pari a circa 3.

Tale fattore è ad esempio ma non necessariamente pari a ±3 σ.

Il vantaggio principale di tale invenzione, è di permettere l’esecuzione di prove di vibrazione di elevato spostamento su un piano di lavoro 5 vibrante di corsa limitata.

Nella soluzione illustrata in figura 2 che prevede mezzi di limitazione meccanici, durante la vibrazione il piano di lavoro 5, quando si trova ad eccedere la corsa, entra in contatto con i tamponi 7, 8.

I tamponi 7, 8 respingono il piano di lavoro 5 e lo riportano all’interno dei propri limiti di corsa.

Grazie alla loro particolare forma, i tamponi 7, 8 applicano al piano di lavoro 5 vibrante una forza F proporzionalmente crescente secondo una data curva illustrata in figura 4, producendo un piccolo impulso di accelerazione. Per la natura stessa della distribuzione gaussiana, tale impulso avrà la stessa durata dei picchi di accelerazione che eccedono il fattore di copertura e pertanto l’accelerazione prodotta dagli urti contro i tamponi 7, 8 rientrerà a far parte della vibrazione casuale senza alterarne la natura.

Nella soluzione illustrata in figura 3, che prevede mezzi di limitazione elettronico, durante la vibrazione del piano di lavoro 5, quando il sensore di posizione 20 segnala al controllore elettronico 21 che il piano di lavoro 5 consegue la posizione z1 o z2, il controllore elettronico 21 pilota il generatore di vibrazioni 4 sommando al segnale di vibrazione random un segnale atto a riprodurre la forza F proporzionalmente crescente secondo la curva illustrata in figura 4, producendo un piccolo impulso di accelerazione. Per la natura stessa della distribuzione gaussiana, tale impulso avrà la stessa durata dei picchi di accelerazione che eccedono il fattore di copertura e pertanto l’accelerazione prodotta dal controllore elettronico 21 rientrerà a far parte della vibrazione casuale senza alterarne la natura.

L'oggetto dell’invenzione è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela della presente invenzione.

Ad esempio è possibile che i tamponi siano fissati al piano di lavoro invece che ai fine corsa.

Anche se l'oggetto è stato descritto con particolare riferimento alle figure allegate, i numeri di riferimento usati nella descrizione e nelle rivendicazioni sono utilizzati per migliorare l'intelligenza dell’invenzione e non costituiscono alcuna limitazione all'ambito di tutela rivendicato.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2), comprendente un generatore di vibrazioni random (4) ed almeno un piano di lavoro vibrante (5) collegato a detto generatore di vibrazioni random (4), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (7, 8, 9, 10, 20, 21) di limitazione della corsa di vibrazione random di detto piano di lavoro (5) configurati per assoggettare detto piano di lavoro (5) ad una forza impulsiva di intensità progressiva producente un impulso di accelerazione di durata tale da non alterare la natura random delle vibrazioni generate da detto generatore (4).
2. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (7, 8, 9, 10) di limitazione della corsa di vibrazione random di detto piano di lavoro (5) sono meccanici.
3. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (20, 21) di limitazione della corsa di vibrazione random di detto piano di lavoro (5) sono elettronici e comprendono un sensore di posizione (20) di detto piano d lavoro (5) ed un controllore elettronico (21) che in funzione della lettura di detto sensore di posizione (20) pilota detto generatore di vibrazioni random (4).
4. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi meccanici di limitazione comprendono almeno un fine corsa (9, 10) ed un corrispondente tampone elastico (7, 8) interposto tra detto fine corsa (9, 10) e detto piano di lavoro (5).
5. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di presentare due fine corsa (9, 10) e due corrispondenti tamponi elastici (7, 8) che limitano la corsa del detto piano di lavoro (5) nelle due direzioni opposte rispetto ad una posizione di riposo.
6. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo una qualunque rivendicazione 4 e 5, caratterizzato dal fatto che detto almeno un tampone elastico (7, 8) è configurato per incrementare progressivamente la superficie di contatto con detto piano di lavoro (5).
7. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto almeno un tampone elastico (7, 8) presenta forma arrotondata o conica o piramidale.
8. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo una qualunque rivendicazione da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che detto almeno un tampone elastico (7, 8) è fissato a detto fine corsa (9, 10).
9. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo una qualunque rivendicazione da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che detto almeno un tampone elastico (7, 8) è fissato a detto piano di lavoro (5).
10. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo una qualunque rivendicazione da 4 9, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di regolazione della posizione di detto almeno un fine corsa (9, 10).
11. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di mezzi di regolazione comprendono almeno una guida (11, 12) lungo cui è fissabile in posizione regolabile detto fine corsa (9, 10).
12. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto piano di lavoro (5) è supportato con possibilità di vibrazione in direzione verticale.
13. Dispositivo (1) per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto piano di lavoro (5) è supportato con possibilità di vibrazione in direzione orizzontale.
14. Metodo per effettuare prove di vibrazione random su un oggetto da testare (2) con un dispositivo (1) comprendente un generatore di vibrazioni random (4) ed almeno un piano di lavoro vibrante (5) collegato a detto generatore di vibrazioni random (4), caratterizzato dal fatto di limitare la corsa di vibrazione random di detto piano di lavoro (5) al di sotto di un fattore noto dello spostamento quadratico medio assoggettando detto piano di lavoro (5) ad una forza impulsiva di intensità progressiva producente un impulso di accelerazione di durata tale da non alterare la natura random delle vibrazioni generate da detto generatore (4).