Vibrodina elettro–meccaniche

 

Descrizione generale

Le vibrodine elettro–meccaniche tradizionali sono attrezzature di eccitazione in grado di erogare forze dinamiche rigorosamente sinusoidali unidirezionali.

Tali attrezzature sono di norma realizzate in un unico involucro (telaio) all’interno del quale sono calettate due parti o alberi tra loro contro–rotanti.

Il moto rotatorio del motore elettrico di trascinamento, con velocità di rotazione programmabile e regolabile con continuità, è trasmesso, tramite cinghie dentate, ad una parte rotante (in senso orario – albero sinistro della figura allegata); a sua volta il moto rotatorio è trasmesso, tramite appositi sistemi di trasmissione, alla parte contro–rotante (in senso anti–orario – albero destro della figura allegata).

Vibrodina elettro-meccanica – Spaccato d’assieme

Per quanto riguarda il sistema di trasmissione tra le due parti contro–rotanti, sono state realizzate vibrodine elettro–meccaniche sino a frequenze massime di 25 ÷ 30 Hz con ingranaggi a secco correnti, sino a frequenze massime di 50 ÷ 60 Hz con ingranaggi a secco rettificati ed accoppiati, sino a frequenze massime di 100 Hz tramite cinghie dentate su entrambe le facce e sistemi di pulegge per l’inversione del moto rotatorio dei due alberi.

In generale queste macchine sono chiamate vibrodine a vettori contro–rotanti, ossia eccitatori che erogano la forza in una determinata direzione ([1]) (unidirezionale) in funzione dell’orientamento di installazione della macchina, come evidenziato dallo schema di funzionamento allegato.

Sono state peraltro anche realizzate vibrodine a vettore rotante, ossia eccitatori che erogano non una forza unidirezionale ma un vettore rotante; in particolare nel piano ortogonale all’asse di rotazione sono presenti due forze ortogonali tra loro ma sfasate nel tempo di 90° (quando una raggiunge il valore massimo, l’altra e nulla e viceversa).

Nel seguito si farà solo riferimento a vibrodine a vettori contro–rotanti.

Vibrodina elettro-meccanica – Schema di funzionamento

 

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento consiste nel fatto che una massa eccentrica rotante attorno ad un asse con una velocità angolare costante genera una forza centrifuga che può essere rappresentata da un vettore rotante nel piano ortogonale all'asse di rotazione e la cui ampiezza è fornita dalla seguente relazione:

|F| = m × e × w² =  m × e × (2×p×f)² = [m × e × (2×p)²] × f²

dove:

m         massa eccentrica espressa in Kg

w          velocità angolare espressa in radianti/s

f           frequenza espressa in Hz

e          distanza della massa dall'asse di rotazione (eccentricità) espressa in m

|F|        ampiezza della forza generata espressa in N

La massa eccentrica della vibrodina è ottenuta per mezzo di due masse uguali vincolate sulla corona periferica di ogni singolo disco; spostando lungo la circonferenza della corona periferica una delle due masse (massa mobile) rispetto all'altra (massa fissa) è possibile regolare il valore della eccentricità da zero fino – in linea di principio – al valore della singola massa.

Il vettore forza risultante agisce lungo la bisettrice dell'angolo formato dalle due semirette uscenti dal centro di rotazione e passanti per il baricentro delle rispettive masse. Ossia mentre le componenti ortogonali al piano contenente gli assi di rotazione dei vettori forza contro–rotanti si sommano, le componenti giacenti nel piano contenente gli assi di rotazione dei vettori forza contro–rotanti si elidono.

Costante caratteristica

La costante caratteristica definisce la «potenzialità meccanica» dell’attrezzatura. Tale costante viene indicata con C, è misurata in N/Hz² e rappresenterebbe la forza massima erogabile dalla macchina alla frequenza di 1 Hz qualora fosse possibile sovrapporre le masse sul medesimo raggio del disco.

La costante caratteristica C raggruppa tutti i parametri meccanici di una determinata macchina attrezzata con determinate masse eccentriche , e cioè:

C = d × n × m × e × (2×p

dove:

d          numero dei dischi (nel caso usuale d = 2)

n          numero delle masse (nel caso usuale n = 2)

m         valore della massa delle singole masse eccentriche espressa in Kg

e          distanza della massa dall'asse di rotazione (eccentricità) espressa in m

C          valore della costante espressa in N/Hz²

Costante di utilizzo

La costante di utilizzo della macchina é il rapporto fra la forza erogata ed il quadrato della frequenza:

|F| = K(a) × f²

La costante K, espressa in N/Hz², è funzione dell'angolo di sfasamento a tra le masse, ed è legata alla costante caratteristica C della vibrodina mediante la seguente relazione:

K(a) = C × cos (a/2)

dove:

a          angolo compreso fra le due semirette uscenti dal centro di rotazione e passanti per il baricentro delle masse

K(a)     costante di utilizzo in N/Hz²

Modelli delle vibrodine elettro–meccaniche

I modelli delle vibrodine elettro–meccaniche fino ad ora prodotte ([2]) si caratterizzano sostanzialmente per l’entità massima della forza erogata e per la massima frequenza con cui la macchina può operare.

In particolare sono disponibili i seguenti modelli:

-          Vibrodina elettro–meccanica 200 kN –   20 Hz             (Kmax = 9.200 N/Hz²)

-          Vibrodina elettro–meccanica 100 kN –   25 Hz             (Kmax = 3.700 N/Hz²)

-          Vibrodina elettro–meccanica   50 kN –   30 Hz             (Kmax =    930 N/Hz²)

-          Vibrodina elettro–meccanica   20 kN –   50 Hz             (Kmax =    160 N/Hz²)

-          Vibrodina elettro–meccanica   20 kN – 100 Hz             (Kmax =    160 N/Hz²)

Nel grafico di seguito riportato si evidenziano le prestazioni dei cinque modelli elencati.

Vibrodina elettro-meccanica – Curve prestazionali

Si osserva che della vibrodina elettro–meccanica 200 kN – 20 Hz e 100 kN – 25 Hz è stato sino ad ora realizzate un solo esemplare per studi nel campo sismico. La vibrodina elettro–meccanica 20 kN – 100 Hz è una macchina in fase di messa a punto ed è stata studiata per studi nel campo delle previsioni dei disturbi alle persone.

Con riferimento alla fotografia allegata, l’attrezzatura è sostanzialmente composta da un gruppo meccanico (a destra della foto – vibrodina meccanica vera e propria dotata del relativo motore di trascinamento e dei sensori di misura di frequenza e fase) e di un quadro elettrico (a sinistra della foto – contenente il sistema di controllo della velocità di rotazione).

Nel seguito sono riportate le principali caratteristiche dei componenti dell’attrezzatura di eccitazione elettro–meccanica. I dati forniti devono essere considerati indicativi in quanto in fase di fornitura potrebbero essere necessari delle modifiche in relazione alla disponibilità dei componenti di seguito descritti. Rimangono invece pressoché invariate le caratteristiche della parte meccanica delle vibrodine.

 

Vibrodina elettro–meccanica 50 kN – 30 Hz

 

Parte meccanica

Le caratteristiche principali della parte meccanica sono:

-                                              Struttura del telaio di acciaio saldato, rinforzato con nervature a nido d'ape

-                                              Albero rotante in acciaio al Ni-Cr

-                                              Ciascun albero è dotato di cuscinetti conici e radiali

-                                              Disco di supporto delle masse in acciaio C40, corona periferica dentata con passo di due gradi per la regolazione dello sbilanciamento delle parti controrotanti

-                                              Ciascun albero è dotato di goniometro con passo di due gradi per la regolazione dello sbilanciamento delle parti controrotanti (i due goniometri – uno orario ed uno antiorario – sono visibili da finestrelle poste sui carter di protezione delle parti contro-rotanti)

-       Numero complessivo masse eccentriche......................................... d × n = 4

-       Valore di ciascuna massa.............................................................. m

-       Eccentricità delle masse................................................................ e

-       Settore di corona circolare di ciascuna massa.................................. q

-       Valore della costante caratteristi.................................................... C

-       Valore della costante di utilizzo massima........................................ Kmax

-       Valore della costante di utilizzo minima........................................... Kmin

-       Regolazione delle masse............................................................... Da = 2°

-       Angolo di sfasamento delle masse.................................................. a = 178°, 176°, ...... q + 1°

-       Forza massima erogabile.............................................................. |Fmax|

-       Campo di frequenza operativo....................................................... f

-       Peso della vibrodina compreso il motore......................................... Pv

Si osserva che le macchine possono essere dotate di due gruppi di masse (masse G e masse P) che possono essere installate e disinstallate a secondo il tipo di indagine che si vuole condurre. In genere, mentre le masse G vanno utilizzate per prove nei campi di frequenza più bassi, le masse P sono più adatte per prove in campi di frequenza sino al valore massimo consentito dall’attrezzatura.

Per la regolazione dell’angolo a – effettuabile a macchina ferma – è sufficiente utilizzare idonei utensili di bloccaggio e di sbloccaggio delle masse operando all’esterno della macchina (operazione che richiede pochi minuti di un tecnico). Per la sostituzione delle masse G con quelle P (e viceversa) è invece necessario smontare i carter e dividere le masse che sono composte da due parti mantenute assemblate da due bulloni per ciascun massa (operazione che richiede circa 2 ore di un tecnico).

Per ogni modello è reso disponibile il manuale d’uso (una copia cartacea e una copia su CD-ROM), che fornisce le indicazione per l’installazione meccanica dell’attrezzatura, le modalità di regolazione delle parti rotanti, consistenti nel variare l’angolo a di sfasamento delle due masse presenti su ciascuna albero. Lo stesso manuale fornirà le regole per l’uso in sicurezza delle attrezzature.

Nella successiva tabella sono forniti i parametri di maggior interesse dei modelli delle vibrodine prima elencate.

PARAMETRO

VIBRODINA ELETTRO–MECCANICA

200 kN – 20 Hz

100 kN – 25 Hz

50 kN – 30 Hz

20 kN – 50 Hz

20 kN – 100 Hz

G

 

G

 

G

 

G

P

G

P

Numero complessivo masse eccentriche

d × n

4

 

4

 

4

 

4

4

4

4

Valore di ciascuna massa

m
[Kg]

200

 

100

 

37,0

 

9,8

1,5

9,8

1,5

Eccentricità delle masse

e
[mm]

298

 

239

 

173,4

 

111,3

102,8

111,3

102,8

Settore di corona circolare della massa

q
[°]

45°

 

45°

 

45°

 

45°

29°

45°

29°

Valore della costante caratteristi

C
[N/Hz²]

9.525

 

3.830

 

1010

 

174

24,4

174

24,4

Valore della costante di utilizzo massima

Kmax
[N/Hz²]

9.200

 

3.700

 

930

 

160

23,6

160

23,6

Valore della costante di utilizzo minima

Kmin
[N/Hz²]

155

 

67

 

17,6

 

3,0

0,4

3,0

0,4

Regolazione delle masse

Da
[°]

Da = 2°

Angolo di sfasamento delle masse

a
[°]

a = 178°, 176°, ...... q + 1°

Forza massima erogabile

|Fmax|
[kN]

200 kN

100 kN

50 kN

20 kN

20 kN

Campo di frequenza operativo

f
[Hz]

20 Hz

25 Hz

30 Hz

50 Hz

100 Hz

Peso della vibrodina

Pv
[kg]

3.750 kg

1.950 kg

800 kg

360 kg

360 kg

Ingombro della vibrodina:

L ´ T ´ H
[mm]

2.800 mm
1.700 mm
1.400 mm

2.200 mm
1.300 mm
1.100 mm

1.600 mm
1.000 mm
500 mm

1.000 mm
600 mm
500 mm

700 mm
700 mm
500 mm

Caratteristiche motore di trascinamento

 

3.000 RPM
30 kW

3.000 RPM
20 kW

3.000 RPM
10 kW

3.000 RPM
4 kW

6.000 RPM
8 kW

Sistema di trasmissione tra vibrodina e motore

 

Con pulegge e cinghie dentate

Rapporto/i di trasmissione tra vibrodina e motore

 

2,5/1
4,0/1

2 / 1

1,7 / 1

1 / 1

1 / 1
2 / 1

Sistema di trasmissione tra le due parti contro–rotanti della vibrodina

 

ingranaggi a secco correnti

ingranaggi a secco rettificati ed accoppiati

cinghie dentate su entrambe le facce e sistema di pulegge

G e P individuano due set di masse con cui sono dotate alcune macchine.

 

Motore elettrico di trascinamento

La vibrodina è trascinata da un motore elettrico inverter a 4 poli, con freno di stazionamento e sevo–ventilatore.

Il motore è dotato di sensore vettoriale di posizione angolare (encoder digitale). Tale sensore, che fornisce un segnale tachimetrico pari a 1024 impulsi per giro, consente di misurare la frequenza di eccitazione ed è quindi necessario al sistema di controllo della velocità di rotazione e permette inoltre il monitoraggio dell’esatta frequenza della forza eccitante.

Apparecchiatura elettrica di comando e controllo del motore

Per il pilotaggio del motore elettrico di trascinamento viene predisposto uno specifico quadro elettrico.

Il quadro elettrico è dotato di grado di protezione IP33 e di raffreddato tramite ventilatore, l’ingresso e l’uscita dell’aria viene protetti da filtri.

All’interno sono montati e debitamente cablati, con conduttori numerati, i materiali elencati di seguito:

-                      Interruttore tripolare principale, per sezionamento della linea Ø 3 × 380 V, 50 Hz, con blocco–porta a maniglia rinviata sulla porta dell’armadio

-                      Fine–corsa per sgancio interruttore generale all’apertura della porta

-                      Trasformatore monofase, di potenza adeguata, per l’alimentazione dei circuiti ausiliari a 110 Vac con fusibili di protezione sul primario e sul secondario

-                      Inverter per il comando e il controllo della vibrodina dotata di motore con coppia di stallo adeguata all’impiego, con freno di stazionamento e sevo–ventilato, è fornito convertitore vettoriale completo di opzione posizionamento, filtri EMC di rete, fusibili di protezione e contattori di inserzione

-                      Alimentatore in corrente continua per i circuiti a 24 Vcc

-                      Dispositivo PLC completo di alimentatore, dotato di ingressi ed usciti a relè, sufficienti a realizzare tutte le funzioni di automazione previste

-                      Allacciamenti al quadro elettrico tramite connettori, per alimentazione, collegamento alla vibrodina/motore, interfacciamento a sistema automatico di comando e controllo e di acquisizione dati.

Sensore di fase e frequenza

Per la misura della fase e della frequenza della forza erogata si prevede l’impiego di un encoder analogico direttamente calettato su uno dei due alberi della vibrodina. L’uscita di questo trasduttore (di tipo sinusoidale con frequenza pari a quello di rotazione delle parti rotanti della vibrodina) fornisce le informazioni necessarie per ricostruire con estrema precisione la forza erogata dalla vibrodina (in frequenza, fase ed ampiezza).

 

Vibrodina elettro-meccanica 20 kN – 100 Hz


 



([1])         In direzione orizzontale (se i due alberi giacciono in un piano verticale), oppure in direzione verticale (se i due alberi giacciono in un piano orizzontale).

([2])         Indapro è comunque in grado di progettare e realizzare prototipi di vibrodine elettro-meccaniche in relazione a specifiche richieste dell’utilizzatore.