ITMI20012554A1

ITMI20012554A1 - Macchina di prova

Info

Publication number: ITMI20012554A1
Application number: IT2001MI002554A
Authority: IT
Inventors: Angelo Terranova; Sergio Baragetti; Paolo Angelo Re
Original assignee: Milano Politecnico
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2003-06-04
Also published as: ATE297548T1; AU2002365737A1; DE60204592D1; WO2003048741A1; ES2240855T3; PT1454122E; EP1454122A1; EP1454122B1; DE60204592T2

Description

D E S C R I Z ION E

del brevetto per invenzione industriale di

La presente invenzione è relativa ad una macchina di prova.

In particolare, la presente invenzione è relativa ad una macchina per effettuare delle prove di torsione, di compressione e di trazione, statici o variabili nel tempo, di provini. Le prove consistono sia nell'applicare ad un provino separatamente carichi di torsione, di trazione e di compressione, sia nell'applicare al provino contemporaneamente carichi di torsione e carichi di compressione o di trazione.

Le macchine per realizzare le suddette prove sono note e, generalmente, comprendono dei telai, ciascuno dei quali è provvisto di una piastra inferiore collegata ad una piastra superiore da quattro o due colonne. Le piastre superiore ed inferiore supportano rispettivi dispositivi di bloccaggio del provino. Generalmente, il dispositivo di bloccaggio supportato dalla piastra inferiore è fisso, mentre la piastra superiore supporta un dispositivo di applicazione dei carichi di prova collegato all'altro dispositivo di bloccaggio, che, quindi, è mobile.

L'applicazione dei carichi di prova al provino determina degli sforzi nel provino stesso ed una reazione sul telaio. Il telaio di una macchina di prova del tipo sopra descritto è dimensionato per resistere senza deformarsi alla reazione trasmessa al telaio stesso dal provino attraverso i dispositivi di bloccaggio del provino ed il dispositivo di applicazione dei carichi. Una prova di torsione combinata con una prova di trazione del provino è particolarmente critica, per un telaio del tipo sopra descritto, in quanto provoca una reazione sulle colonne che consiste in un momento flettente e, contemporaneamente, in una compressione. La combinazione di un momento flettente e di una compressione sulle colonne impone di dimensionare le colonne in modo tale che presentino una sezione estremamente elevata rispetto alla loro lunghezza. Di conseguenza, l'intero telaio risulta di dimensioni elevate, e la macchina è pesante, ingombrante e costosa in relazione alle dimensioni dei provini. Pertanto, le macchine del tipo sopra descritto non sono facilmente trasportabili e presentano degli evidenti limiti di impiego in un cantiere.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare una macchina di prova che sia esente dagli inconvenienti dell'arte nota e che, in particolare, sia di dimensioni relativamente ridotte rispetto alle dimensioni dei provini e coniughi una elevata affidabilità ad un costo ridotto.

Secondo la presente invenzione viene realizzata una macchina di prova comprendente un primo ed un secondo dispositivo di bloccaggio, i quali sono allineati lungo un asse determinato e sono atti a serrare le estremità opposte di un provino; un dispositivo di applicazione dei carichi di prova al detto provino; ed un telaio di supporto dei primi e secondi dispositivi di bloccaggio e del dispositivo di applicazione dei carichi di prova; la macchina essendo caratterizzata dal fatto che il detto telaio comprende un corpo tubolare estendentesi attorno al detto asse e fra i detti dispositivi di bloccaggio per resistere alla reazione trasmessa al telaio.

La presente invenzione permette di realizzare un telaio rigido e nello stesso tempo di dimensioni ridotte grazie all'impiego di un corpo tubolare, il quale assolve alla funzione di reagire alla torsione, alla compressione ed alla trazione lungo l'asse della macchina di prova senza generare momenti flettenti lungo il corpo tubolare stesso.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano degli esempi di attuazione non limitativi:

- la figura 1 è una vista in elevazione frontale, con parti asportate per chiarezza e parti in sezione, di una macchina di prova realizzata secondo una prima forma di attuazione della presente invenzione;

- la figura 2 è una vista in sezione della macchina della figura 1 secondo la linea di sezione II-II;

- la figura 3 è una vista in sezione della macchina della figura 1 secondo le linee di sezione III-III;

- la figura 4 è una vista in sezione, con parti asportate per chiarezza, di una macchina realizzata in accordo con una seconda forma di attuazione della presente invenzione; e

- le figure 5 e 6 sono delle viste prospettiche di rispettive varianti di un componente della macchina della figura 1.

Con riferimento alle figure da 1 a 3, con 1 viene indicata nel suo complesso una macchina di prova per provini 2, i quali presentano due estremità opposte atte ad essere serrate dalla macchina 1. La macchina 1 viene impiegata per eseguire delle prove, che consistono nell'applicazione di carichi ai provini 2. Le prove possono essere statiche o di fatica, di torsione, di trazione e di compressione. Le prove di torsione, da un lato, e le prove di trazione e compressione, dall'altro lato, possono essere effettuate simultaneamente o separatamente. Inoltre, è possibile disporre attorno al provino una fascia termica per eseguire delle prove ad alta temperatura ed a bassa temperatura.

La macchina 1 comprende un telaio 3 per resistere alla reazione ai carichi applicati ai provini 2, due dispositivi 4 e 5 di bloccaggio per serrare un provino 2 in corrispondenza delle estremità opposte del provino 2 stesso, un dispositivo 6 di applicazione dei carichi di prova provvisto di attuatori 7 e 8, delle celle di carico, come ad esempio torsiometri, di tipo noto e non illustrati, ed una unità (di tipo noto e non illustrata nelle figure allegate) di controllo degli attuatori 6 e 7 e di elaborazione di segnali emessi dalle celle di carico .

Con riferimento alla figura 1, la macchina 1 presenta un asse 9 verticale ed il telaio 3 è supportato da un basamento 10, e quattro colonne 11, che si estendono al di sopra del basamento 10. Il telaio 3 comprende una piastra 12 inferiore, una piastra 13 superiore, la quale è disposta al di sopra della piastra 12 ed è collegata alla piastra 12 da quattro colonne 14, ed un corpo tubolare 15, il quale è fissato alla piastra 13 tramite viti al di sopra della piastra 13 stessa. Il basamento 10 e le piastre 12 e 13 presentano delle aperture circolari che si estendono attorno all'asse 9, mentre il corpo tubolare 15 presenta una parete 16 laterale cilindrica a sezione circolare con un asse coincidente con l'asse 9.

Con riferimento alle figure 2 e 3, il dispositivo 6 di applicazione dei carichi è disposto in corrispondenza delle piastre 12 e 13 e comprende, oltre agli attuatori 7 e 8, un bilanciere 17, il quale è girevole attorno all'asse 9, e mobile lungo l'asse 9 stesso. Il bilanciere 17 comprende quattro bracci 18, ciascuno dei quali presenta una guida 19, una slitta 20 alloggiata nella citata guida 19 ed un cuscinetto 21 supportato dalla slitta 20. I bracci 18 sono disposti in modo da formare due coppie di bracci 18 sovrapposti, in cui ciascuna coppia è diametralmente opposta all'altra coppia rispetto all'asse 9. I bracci 18 di ciascuna coppia sono paralleli ed affacciati fra loro e cooperano con un rispettivo attuatore 7. Le guide 19 si estendono lungo direzioni radiali parallele fra loro ed incidenti l'asse 9 in modo da permettere alle slitte 20 di variare la distanza dall'asse 9.

Gli attuatori 7 sono due attuatori idraulici, ciascuno dei quali comprende due cilindri 22 idraulici a semplice effetto fissati alle colonne 14 ed allineati fra loro, ed uno stelo 23, il quale impegna contemporaneamente entrambi i cilindri 22 in corrispondenza delle proprie estremità e si estende fra una coppia di bracci 18 in corrispondenza della propria parte mediana. Lo stelo 23 è solidale ad un albero 24, il quale è fissato alla parte mediana dello stelo 23, si estende parallelamente all'asse 9 ed impegna due cuscinetti 21. L'estremità inferiore dell'albero 24 è provvista di una bronzina 25, la quale impegna una guida 26 rettilinea parallela allo stelo 23 ricavata nella piastra 12. L'attuatore 8 è un attuatore idraulico a doppio effetto, il quale comprende un cilindro 27 fissato alla piastra 12 ed alloggiato nell'apertura centrale della piastra 12, ed un pistone 28 scorrevole lungo l'asse 9 all'interno del cilindro 27 fissato al bilanciere 17.

I dispositivi 4 e 5 di bloccaggio sono alloggiati in rispettive sedi 29 e 30, ricavate, rispettivamente, in una porzione centrale del bilanciere 17 e nel corpo tubolare 15. Con riferimento alla figura 2, ciascuno dei dispositivi 4 e 5 di bloccaggio comprende due manicotti 31 espandibili, ciascuno dei quali presenta una sede 32 di alloggiamento del provino 2 e due porzioni 33 a cuneo che cooperano con delle facce 34 inclinate di una delle sedi 29 e 30, e due viti 35 idrauliche per espandere i manicotti 31. Le viti 35 ed i manicotti 31 si estendono trasversalmente all'asse 9.

La parete 16 cilindrica del corpo tubolare 15 presenta in successione tre porzioni 36, 37 e 38, di cui le porzioni 36 e 38 presentano uno stesso spessore, mentre la porzione 37 presenta uno spessore inferiore allo spessore delle porzioni 36 e 38.

Il corpo tubolare 15 presenta, inoltre, in corrispondenza dell'estremità superiore, una parete 39, nella quale è ricavata la sede 30 di alloggiamento del dispositivo 5 di bloccaggio e che presenta una apertura 40 assiale, attraverso la quale introdurre ed estrarre i provini 2.

In pratica, i dispositivi 4 e 5 di bloccaggio, in condizioni di riposo, sono disposti ad una distanza D l'uno dall'altro e determinata dalla lunghezza dei provini 2. Di fatto, la distanza D è sostanzialmente pari alla lunghezza dei provini 2 e l'applicazione dei carichi di prova causa solamente delle leggere variazioni della distanza D. Il corpo 15 si estende, nella direzione parallela dell'asse 9, per una lunghezza superiore alla metà della distanza D.

In uso e con riferimento alla figura 3, un provino 2 viene inserito attraverso l'apertura 40 fra i dispositivi 4 e 5 di bloccaggio, i quali vengono azionati idraulicamente per bloccare le estremità opposte del provino 2. In questo modo, le estremità del provino 2 risultano rigidamente collegate al bilanciere 17 e al corpo tubolare 15. Con riferimento alla figura 2, nel caso in cui venga effettuata una prova di torsione, vengono azionati gli attuatori 7, i quali provvedono a spostare gli steli 23 in direzioni parallele e versi opposti per applicare il carico di prova. Lo spostamento degli steli 23 determina una rotazione dei cuscinetti 21, uno scorrimento delle slitte 20 nelle rispettive guide 19 e la rotazione, attorno all'asse 9, del bilanciere 17, il quale applica un carico di torsione determinato al provino 2. Il carico di torsione genera degli sforzi nel provino 2, che determinano una reazione attraverso i dispositivi di bloccaggio 4 e 5, il dispositivo 6 di applicazione dei carichi, la piastra 13, le colonne 14 ed il corpo 15 tubolare. Siccome il corpo 15 tubolare si estende per la maggior parte della distanza D, le colonne 14 presentano una lunghezza relativamente ridotta rispetto alla lunghezza del provino 2 e, di conseguenza non richiedono una sezione elevata per resistere al momento flettente agente sulle colonne 14 e determinato dalla reazione. D'altro canto, il corpo 15 grazie alla forma tubolare è particolarmente adatto ad assorbire le azioni di taglio senza generare momenti flettenti nel corpo 15 tubolare stesso.

Nel caso di applicazione di carichi assiali, di trazione o di compressione, l'attuatore 8 viene attivato ed il bilanciere 17 è libero di muoversi rispetto agli attuatori 7, in virtù dell'accoppiamento fra gli alberi 24 ed i cuscinetti 21, lungo l'asse 9 e di trasmettere i carichi assiali al provino 2. In questo caso, la reazione si scarica attraverso il corpo 15 tubolare, la piastra 13, le colonne 14 e la piastra 12. Anche in questo caso, le colonne 14 essendo di lunghezza ridotta non richiedono una sezione elevata per resistere alla reazione assiale.

Con riferimento alla figura 4, con 41 viene indicata una macchina per effettuare prove di torsione, di trazione e di compressione di provini 2. La macchina 41 comprende due dispostivi 4 e 5 di bloccaggio, un dispositivo 6 di applicazione dei carichi di prova, ed un telaio 42, il quale differisce dal telaio 3 della macchina 1. Il telaio 42 è supportato da un basamento 43 e comprende una piastra 44 ed un corpo 45 tubolare, il quale è collegato al basamento 43 ed alla piastra 44. Il corpo 45 tubolare presenta sostanzialmente le stesse caratteristiche del corpo tubolare 15 e, pertanto, le parti uguali al corpo 15 sono indicate nella figura 4 con gli stessi riferimenti numerici impiegati per il corpo tubolare 15 della macchina 1. Il corpo 45 tubolare differisce dal corpo tubolare 15 per il fatto che la parete 39 è disposta verso il basso, è fissata al basamento 43 e presenta uno spessore maggiore. La piastra 44 è fissata l'estremità superiore del corpo 45 tubolare, presenta due scanalature 46 per guidare gli alberi 24 e supporta quattro colonne 47, a ciascuna delle quali è fissato un cilindro 22. Il dispositivo 6 di applicazione dei carichi della macchina 41 comprende gli attuatori 7 precedentemente descritti ed un attuatore 48 in sostituzione dell' attuatore 8. L'attuatore 48 comprende un cilindro idraulico a doppio effetto formato dal corpo 45 tubolare e da due anelli 49 fissati all'interno del corpo 45 tubolare e da un pistone 50 anulare fissato al bilanciere 17. Il dispositivo 6 presenta un bilanciere 51 che differisce unicamente dal bilanciere 17 per il fatto di presentare una apertura 52 assiale passante per permettere l'inserimento dei provini 2.

In uso, un provino 2 viene inserito nella macchina 1 attraverso l'apertura 52 e viene bloccato alle proprie estremità dai dispositivi 4 e 5 di bloccaggio e viene applicato un carico di torsione secondo quanto precedentemente descritto. La reazione si scarica attraverso il corpo 45 tubolare, la piastra 44, le colonne 47 ed il dispositivo 6 di applicazione dei carichi. Nel caso di applicazione di carichi assiali, di trazione o di compressione la reazione è trasmessa dall'attuatore 48 al corpo 45 tubolare. In questo caso, le colonne 47 e la piastra 44 non sono coinvolte dalla reazione ai carichi assiali.

La macchina 41 di prova rispetto alla macchina 1 richiede un numero di componenti minore, è più compatta e non trasmette carichi assiali alle colonne 47. D'altro lato, la macchina 1 rispetto alla macchina 41 è più versatile in quanto permette una più agevole sostituzione del corpo 15 tubolare, ad esempio, con un corpo tubolare di lunghezza maggiore per provini di lunghezza maggiore.

Con riferimento alla figura 5, con 53 viene indicata una variante dei corpi tubolari 15 e 45. Il corpo 53 tubolare presenta una parete 54 laterale avente la forma di un cilindro a sezione esagonale.

Nella figura 6, con 55 viene indicata una ulteriore variante di corpo tubolare. Il corpo 55 tubolare presenta una parete 56 laterale avente la forma di un cilindro a sezione circolare ed una serie di aperture 57, attraverso le quali, i citati trasduttori, non illustrati, possono essere applicati direttamente sul provino 2. Le aperture possono assumere uno svariato numero di forme.

Nelle varianti del corpo tubolare delle figure 5 e 6, sono illustrate le sedi 58 delle viti di fissaggio e degli intagli 59 che cooperano con dei risalti, non illustrati, della piastra 13.

I corpi tubolari sono inoltre realizzati in lunghezze e spessori diversi in funzione delle dimensioni del provino.

Le colonne 14 e 47 delle macchine 1 e 41 presentano una lunghezza di molto inferiore alla lunghezza del provino 2, in quanto i corpi tubolari 15 e 45 presentano una lunghezza maggiore della metà della lunghezza del provino 2 stesso. Ne consegue che le colonne 14 e 47, data la loro lunghezza, non rappresentano dei componenti critici dei rispettivi telai 3 e 42. Inoltre, per provini di lunghezza maggiore dei provini 2, i corpi tubolari 15 e 45 sono sostituiti con corpi tubolari di lunghezza adeguata, mentre la lunghezza delle colonne 14 e 47 rimane invariata. Quindi, le colonne 14 e 47 sono indipendenti dalla lunghezza dei provini ed in qualsiasi condizione di uso non sono componenti critici dei rispettivi telai 3 e 42.

Claims

R IV E N D ICA Z IO N I 1) Macchina di prova comprendente un primo ed un secondo dispositivo (4, 5) di bloccaggio, i quali sono allineati lungo un asse (9) determinato e sono atti a serrare le estremità opposte di un provino (2); un dispositivo (6) di applicazione dei carichi di prova al detto provino (2); ed un telaio (3; 42) di supporto dei primi e secondi dispositivi (4, 5) di bloccaggio e del dispositivo (6) di applicazione dei carichi di prova; la macchina (1; 41) essendo caratterizzata dal fatto che il detto telaio (3; 42) comprende un corpo (15; 45; 53; 55) tubolare estendentesi attorno al detto asse (9) e fra i detti dispositivi (4, 5) di bloccaggio per resistere alla reazione trasmessa al telaio (3; 42).
2) Macchina secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il detto telaio (3; 42) comprende almeno una piastra (12; 44) fissata ad una estremità del detto corpo (15; 45; 53; 55) tubolare.
3) Macchina secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che il dispositivo (6) di trasmissione dei carichi di prova, comprende un bilanciere (17; 51) girevole attorno al detto asse (9) ed avente una prima sede (29) di alloggiamento del primo dispositivo (4) di bloccaggio.
4 ) Macchina secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che il detto bilanciere (17; 51) è mobile lungo l'asse (9).
5) Macchina secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il detto bilanciere (17; 51) è supportato dal detto telaio (3; 42) tramite mezzi attuatori (7, 8; 7, 48).
6) Macchina secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che i detti mezzi attuatori (7, 8; 7; 48) comprendono due primi attuatori (7) idrualici, i quali sono collegati alla detta piastra (13; 44) del detto telaio (3; 42) per mezzo di colonne (14; 47) ed al detto bilanciere (17; 51) per trasmettere un momento torcente al detto provino (2).
7) Macchina secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che i detti mezzi attuatori (7, 8; 7, 48) comprendono un secondo attuatore (8; 48) idraulico, il quale è collegato al telaio (3; 42) ed al detto bilanciere (17; 51) per trasmettere una forza di compressione o di trazione al detto provino (2).
8) Macchina secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che i primi attuatori (7) sono collegati al detto bilanciere (17; 51) in modo da permettere spostamenti assiali del bilanciere (17; 51) rispetto ai primi attuatori (7); il detto secondo attuatore (8; 48) permettendo la rotazione del detto bilanciere (17; 51) attorno all'asse (9) rispetto al telaio (3; 42).
9) Macchina secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che ciascun primo attuatore (7) comprende due primi cilindri (22), uno stelo (23) accoppiato al bilanciere (17; 51) per mezzo di un albero (24) parallelo all'asse (9) ed impegnato in cuscinetti (21) montati su slitte (20) scorrevoli lungo il bilanciere (17; 51) radialmente rispetto all'asse (9).
10) Macchina secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzata dal fatto il secondo attuatore (8; 48) comprende un secondo cilindro (27; 45, 49) fissato al telaio (3; 42) e coassiale all'asse (9) e un pistone (28; 50), il quale è fissato al bilanciere (17; 51) coassialmente all'asse (9) e mobile lungo il, e liberamente girevole attorno all'asse (9) rispetto al cilindro (27; 45, 49).
11) Macchina secondo la rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che il detto cilindro (45; 49) è fissato direttamente al detto corpo (45) tubolare; il detto pistone (50) presentando una forma anulare per permettere l'inserimento del detto provino (2) attraverso il pistone (50).
12) Macchina secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che il detto cilindro (45, 49) è definito, in parte, dal corpo (45) tubolare e da anelli (49) fissati all'interno del corpo (45) tubolare.
13) Macchina secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che i detti dispositivi (4, 5) di bloccaggio sono disposti ad una distanza (D) l'uno dall'altro lungo l'asse (9); il detto corpo (15; 45; 53; 55) tubolare estendetesi in una direzione parallela all'asse (9) per una lunghezza maggiore della metà della detta distanza (D).
14) Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 13, caratterizzata dal fatto che il detto corpo (15; 45; 53; 55) tubolare presenta una parete (39) di estremità avente una seconda sede (30) di alloggiamento del secondo dispositivo (5) di bloccaggio.
15) Macchina secondo la rivendicazione 13, caratterizzata dal fatto che il detto corpo (15; 45; 53; 55) tubolare è rigidamente fissato alla detta piastra (12; 44) dalla banda opposta della parete (39) di estremità .
16) Macchina secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che il detto corpo tubolare (15; 45; 55) presenta una parete (16; 56) laterale cilindrica avente una sezione circolare.
17) Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16, caratterizzata dal fatto che la detta parete (56) laterale cilindrica presenta delle aperture (57) laterali.
18) Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16, caratterizzata dal fatto che il detto corpo (53) tubolare presenta una parete (54) laterale avente una sezione poligonale.
19) Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 18, caratterizzata dal fatto che la parete laterale cilindrica presenta in successione lungo l'asse (9) tre porzioni (36, 37, 38); una porzione (37) disposta centralmente ha uno spessore inferiore allo spessore delle rimanenti porzioni (36, 38).
20) Macchina secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che ciascuno dei detti dispositivi (4, 5) di bloccaggio comprende due manicotti (31) ad espansione e due rispettive viti (35) idrauliche, le quali si estendono trasversalmente rispetto al detto asse (9) e sono disposte all'interno dei detti manicotti (31) ad espansione.