ITBS20120019A1 - Banco di prova a fatica per manufatti - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Campo di applicazione
Forma oggetto della presente invenzione un banco di prova a fatica per manufatti, in particolare in materiale metallico e specialmente in alluminio.
Stato della tecnica
E' noto come la progettazione a fatica di un manufatto sia tanto importante quanto difficoltosa, a causa del fatto che il fenomeno della rottura a fatica si manifesta nella realtà in maniera differente secondo il materiale di cui il manufatto à ̈ costituito, secondo la geometria del manufatto stesso, secondo le caratteristiche delle sollecitazioni cui questo à ̈ sottoposto, e secondo altri innumerevoli fattori.
Esistono moltissimi studi che hanno messo in evidenza le caratteristiche del fenomeno della rottura a fatica e proposto differenti metodi di progettazione. Tuttavia, la quasi totalità di tali studi prende in considerazione il comportamento di uno specifico provino e propone poi un metodo di progettazione che si basa sulla presunzione di estendere il comportamento osservato per il provino ad un manufatto reale.
Tale situazione conduce ad una situazione di incertezza della progettazione a fatica che si traduce nella necessità di utilizzare elevati fattori di sicurezza, che si traducono in uno spreco di materiale e in geometrie del manufatto non ottimali.
Scopo dell'invenzione
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un banco di prova a fatica adatto all'esecuzione di prove sperimentali su manufatti reali, in particolare in materiale metallico, e specificatamente in alluminio.
Tale scopo à ̈ raggiunto da un banco di prova a fatica realizzato secondo la rivendicazione 1.
Breve descrizione delle figure
La figura 1 mostra un banco di prova a fatica secondo la presente invenzione, in accordo con una forma di realizzazione.
La figura 2 rappresenta un gruppo di movimentazione del banco della figura 1.
La figura 3 illustra un dispositivo di caratterizzazione del gruppo di movimentazione della figura 2.
Le figure 4 e 5 mostrano un esempio di applicazione di estensimetri.
Descrizione di una forma di realizzazione
Con riferimento alle figure allegate, con 1 si à ̈ complessivamente indicato un banco di prova a fatica per manufatti, in particolare per manufatti in materiale metallico, specificatamente in alluminio e sue leghe.
Il banco 1 comprende un basamento 2 preferibilmente realizzato da un telaio costituito da travi, preferibilmente saldate fra loro, per assicurare una elevata rigidezza.
Il banco 1 comprende inoltre una tavola 4 per il supporto del manufatto da provare, avente preferibilmente estensione prevalente lungo un asse di tavola X.
Il banco 1 à ̈ inoltre munito di mezzi di vincolo per il vincolo ed eventualmente il fissaggio del manufatto alla tavola. Ad esempio, i mezzi di vincolo comprendono una coppia di blocchetti 6, ad esempio distanziati lungo l'asse di tavola 4, e rispettivi cilindretti 8, supportati dai blocchetti 6, sui quali à ̈ possibile poggiare il manufatto W.
La configurazione e la struttura dei mezzi di vincolo cambia secondo il tipo di sollecitazione cui si intende sottoporre il manufatto W. Ad esempio, i mezzi di vincolo formati dai due blocchetti 6 e i due cilindretti 8 simulano un vincolo tipo "cerniera" per il manufatto.
Il banco 1 comprende inoltre un'incastellatura 10 che sormonta la tavola 4 ed à ̈ supportata ai due lati della tavola dal basamento 2.
Preferibilmente, anche l'incastellatura 10 Ã ̈ costituita da un telaio formato da travi, ad esempio saldate fra loro.
Inoltre, il banco 1 comprende un gruppo di movimentazione 20, almeno in parte supportato dall'incastellatura 10, adatto a imprimere al manufatto W una sollecitazione variabile nel tempo tramite uno spostamento imposto.
Il gruppo di movimentazione 20 comprende mezzi di movimentazione, ad esempio comprendenti un motore elettrico 22, ad esempio supportato dall'incastellatura 10.
Il gruppo 20 comprende inoltre un dispositivo di caratterizzazione 14, collegato ai mezzi di movimentazione, ad esempio tramite un collegamento a cinghia 24, ed un elemento di pressione 16, collegato al dispositivo di caratterizzazione, adatto ad entrare in contatto con il manufatto W per imporre una deformazione.
Preferibilmente, l'elemento di pressione 16 Ã ̈ una piastra, preferibilmente rafforzata ed irrigidita da nervature 16a, avente estensione prevalente lungo l'asse di tavola X, ossia nella direzione di estensione del manufatto.
Vantaggiosamente, tale elemento di pressione consente di distribuire l'azione sul manufatto, in modo da evitare azioni concentrate che potrebbero portare ad una incisione del manufatto.
Il dispositivo di caratterizzazione 14 comprende un albero 26 ruotante in virtù del collegamento con i mezzi di movimentazione attorno ad un asse di rotazione Z, provvisto di almeno un elemento camma 28, munito di superficie esterna 28a eccentrica, che aziona l'elemento di pressione 16 imprimendo a questo un'oscillazione verticale.
Secondo una forma preferita di realizzazione, sono previsti due elementi camma 28, spaziati lungo l'asse di rotazione Z dell'albero.
Preferibilmente, l'elemento camma 28 Ã ̈ realizzato in un unico pezzo con la parte rimanente dell'albero 26.
L'albero 26 presenta inoltre superfici di supporto 30 e il dispositivo 14 comprende almeno un cuscinetto 32 per il supporto in rotazione dell'albero, posizionati in corrispondenza delle superfici di supporto 30.
Preferibilmente, le superfici esterne 28a di detti elementi camma 28 sono ribassate rispetto alle superfici di supporto 30 dei cuscinetti.
Ciò consente, in una forma preferita di realizzazione, di disporre un cuscinetto 32 in posizione intermedia fra due elementi camma 28, aumentando la rigidezza del supporto dell'albero.
Il dispositivo di caratterizzazione 14 comprende inoltre elementi di trasmissione 40, collegati solidalmente con l'elemento di pressione 16, ciascuno in presa e movimentato in oscillazione dal relativo elemento camma 28.
Preferibilmente, detti elementi di trasmissione 40 comprendono rulli o rullini a contatto con i rispettivi elementi camma, per migliorare le condizioni di contatto con detti elementi camma.
Secondo una forma preferita di realizzazione, il dispositivo di caratterizzazione 14 Ã ̈ modificabile o sostituibile per variare le caratteristiche delle deformazioni imposte al manufatto.
Ad esempio, un primo albero 26 Ã ̈ sostituibile con un differente albero avente elementi camma differentemente sagomati, in modo da variare le caratteristiche dello spostamento imposto all'elemento di pressione e quindi le caratteristiche delle deformazioni imposte al manufatto.
Secondo un ulteriore esempio, gli elementi camma sono sostituibili.
Secondo una variante ancora ulteriore, gli elementi di trasmissione presentano superfici di contatto con l'albero in forma di camma e sono sostituibili.
Inoltre, il gruppo di movimentazione 20 comprende mezzi di ritorno, ad esempio molle ad elica 50 adatte ad influenzare permanentemente la piastra di pressione per assicurare il contatto con l'albero 26.
Il gruppo di movimentazione 20 comprende inoltre una scatola 60, all'interno della quale à ̈ alloggiato il dispositivo di caratterizzazione 14, realizzata a tenuta di liquido o di olio.
Preferibilmente, infatti, il dispositivo di caratterizzazione à ̈ in bagno di olio o di un liquido refrigerante, per una adeguata dissipazione del calore. Preferibilmente, inoltre, il banco 1 comprende mezzi di ricircolo operativamente collegati con la scatola 60 per il ricircolo ed il condizionamento dell'olio o del liquido refrigerante.
Secondo una forma preferita di realizzazione, il banco 1 comprende inoltre un accessorio di derivazione, collegabile alla piastra di pressione, per la trasformazione del movimento oscillatorio verticale di questo in un differente desiderato movimento (ad esempio, un movimento oscillatorio orizzontale o un movimento oscillatorio circolare) o per applicare l'azione al manufatto di un particolare punto dello spazio, ad esempio per assecondare la geometria del manufatto.
Secondo un ulteriore esempio di realizzazione, il banco 1 comprende una pluralità di estensimetri, collegabili al manufatto per rilevarne la reale deformazione e sollecitazione, ed un dispositivo di gestione dati, collegato a detti estensimetri, per la visualizzazione e la gestione dei dati sperimentali acquisiti.
In particolare, lo scopo degli estensimetri à ̈ di verificare la reale sollecitazione a cui à ̈ sottoposto il manufatto durante la prova di fatica. Inoltre, l’utilizzo di estensimetri, localizzati nelle zone soggette ad intaglio o cambio di sezione, consente di rilevare il reale coefficiente di sovrasollecitazione indotto dalla discontinuità geometrica.
Esempi di prove sperimentali
A) In una prima prova sperimentale, il manufatto à ̈ costituito da un estruso tubolare in lega d’alluminio di sezione quadrata di lato = 150 mm, spessore = 5 mm, lunghezza tra gli appoggi = 2000 mm, caricato in mezzeria con impronta di carico = 500 mm, supportato alle due estremità con cerniere e carico risultante = 30000 N.
Il manufatto à ̈ testato con frequenza di 12 Hz fino a 5*10^6 cicli. Operando senza tempi di sosta, la prova dura circa 5 giorni.
B) In una ulteriore prova sperimentale, il manufatto à ̈ costituito da una giunzione rivettata tra due lamiere in lega d’alluminio con spessore = 3 mm, rivetti di tipo cieco di diametro = 4,8 mm. Una delle due estremità della giunzione à ̈ ammorsata e bloccata al banco, l’altra à ̈ soggetta ad un tiro all’estremità libera pari al carico necessario a provocare uno spostamento nel punto stesso di applicazione dell'azione (freccia) pari a = 1 mm. Lo spostamento à ̈ imposto da un accessorio di derivazione collegato alla piastra di pressione per la simulazione dello spostamento desiderato.
Ad una frequenza imposta di 15 Hz, la prova va avanti fino al cedimento di uno degli elementi del collegamento (rivetto o lembo di lamiera), raggiungendo una durata contenuta in alcuni giorni.
Esempio di applicazione di estensimetri
Un esempio di applicazione di estensimetri à ̈ illustrato nelle figure 4 e 5.
Nel caso illustrato, il manufatto à ̈ un estruso prismatico, poggiato su due appoggi a cerniera, caricato in mezzeria con impronta di carico estesa.
Gli estensimetri 1 e 4, consentono di rilevare il valore massimo della sollecitazione flessionale (sia di compressione che di trazione) ed eventuali asimmetrie nella distribuzione delle sollecitazioni.
Gli estensimetri 2 e 6, posti sull’asse neutro della sezione, consentono di valutare eventuali carichi assiali dovuti ad imprecisioni di carico o di vincolo (e consentono unitamente ai valori forniti dagli estensimetri 1 e 4, di valutare eventuali asimmetrie di sollecitazione).
Gli estensimetri 3 e 5 consentono di valutare l’eventuale “effetto spigolo†e calcolare il conseguente coefficiente di sovrasollecitazione, ad esempio per la determinazione del migliore raggio di raccordo fra gli spigoli ai fini della fatica.
Innovativamente, il banco di prova a fatica secondo la presente invenzione consente di eseguire prove sperimentali a fatica su manufatti reali, in tempi ragionevoli e simulando condizioni reali di carico.
In particolare, vantaggiosamente, il banco di prova consente di modificare le caratteristiche dello spostamento imposto al manufatto, secondo la prova che si intende eseguire o, ad esempio, per simulare le reali condizioni di lavoro del manufatto in opera.
Secondo un ulteriore aspetto vantaggioso, il banco di prova consente di ridurre notevolmente i tempi di prova, anche per prove eseguite per numero di cicli molto elevato, dell'ordine di milioni di cicli.
E' chiaro che un tecnico del settore, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche al banco sopra descritto, tutte contenute nell'ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Banco di prova a fatica (1) a spostamento imposto per un manufatto (W), in particolare in materiale metallico, ad esempio in alluminio, comprendente: - un basamento (2); - una tavola (4) supportata dal basamento, per il supporto del manufatto (W); - mezzi di vincolo per il vincolo del manufatto alla tavola secondo una predefinita simulazione di vincolo; - un gruppo di movimentazione (20) comprendente: a) mezzi di movimentazione; b) un dispositivo di caratterizzazione (14), movimentato dai mezzi di movimentazione; c) un elemento di pressione (16), movimentato dal dispositivo di caratterizzazione e adatto ad entrare in contatto con il manufatto (W) per imporne una deformazione; in cui il dispositivo di caratterizzazione (14) Ã ̈ modificabile per variare le caratteristiche delle deformazioni imposte al manufatto.
- 2. Banco secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo di caratterizzazione (14) comprende un albero (26) provvisto di almeno un elemento camma (28), munito di una superficie esterna (28a) eccentrica, che aziona l'elemento di pressione (16) imprimendo a questo un'oscillazione verticale.
- 3. Banco secondo la rivendicazione 1, in cui l'elemento camma à ̈ realizzato in un unico pezzo con la parte rimanente dell'albero.
- 4. Banco secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui sono previsti almeno due elementi camma (28), spaziati lungo l'asse di rotazione dell'albero.
- 5. Banco secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui l'albero (26) presenta superfici di supporto (30) per cuscinetti (32) e le superfici esterne (28a) di detti elementi camma (28) sono ribassate rispetto alle superfici di supporto (30) dei cuscinetti (32).
- 6. Banco secondo la rivendicazione 5, in cui un cuscinetto (32) Ã ̈ disposto in posizione intermedia fra due elementi camma (28).
- 7. Banco secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, comprendente elementi di trasmissione (40), collegati solidalmente con l'elemento di pressione (16), ciascuno in presa e movimentato in oscillazione dal relativo elemento camma (28).
- 8. Banco secondo la rivendicazione 7, in cui detti elementi di trasmissione (40) comprendono rulli o rullini a contatto con i rispettivi elementi camma (28).
- 9. Banco secondo la rivendicazione 7, in cui gli elementi di trasmissione (40) presentano superfici di contatto con l'albero in forma di camma e sono sostituibili.
- 10. Banco secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 9, in cui gli elementi camma sono sostituibili.
- 11. Banco secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento di pressione (16) Ã ̈ una piastra.
- 12. Banco secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una scatola (60), all'interno della quale à ̈ alloggiato il dispositivo di caratterizzazione (14), realizzata a tenuta di liquido o di olio, detto dispositivo di caratterizzazione essendo in bagno di olio o di un liquido refrigerante.
- 13. Banco secondo la rivendicazione 12, comprendente mezzi di ricircolo operativamente collegati con la scatola (60) per il ricircolo ed il condizionamento dell'olio o del liquido refrigerante.
- 14. Banco secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un accessorio di derivazione, collegabile all'elemento di pressione, per la trasformazione del movimento oscillatorio verticale di questo in un differente movimento o per applicare l'azione al manufatto in un particolare punto dello spazio.
- 15. Banco secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di estensimetri, collegabili al manufatto per rilevarne la reale deformazione e sollecitazione, ed un dispositivo di gestione dati, collegato a detti estensimetri, per la visualizzazione e la gestione dei dati sperimentali acquisiti.
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