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Sintesi

ECS in pillole
Engineering Consultancy Services esegue progetti di consulenza ingegneristica nei quali la conoscenza della SKF su organi rotanti, ingegneria meccanica, tribologia e scienza dei materiali viene resa disponibile agli OEM e agli utenti finali. Ciascun progetto viene definito in collaborazione con il cliente, concordando gli obiettivi (velocità, potenza, durata operativa, affidabilità…) e le risorse necessarie. Maggiori informazioni su Evolution nr. 1/2008 o contattando direttamente Fabrizio Mandrile (fabrizio.mandrile@skf.com)..

Il presente articolo è il primo di un breve ciclo con cui ECS presenta in dettaglio le capacità ingegneristiche della SKF, dando particolare risalto alle principali novità.

In questa uscita il focus è sulla Modellazione e Simulazione virtuale come strumento di impostazione e verifica progettuale. La prossima uscita sarà dedicata, con analogo dettaglio, agli strumenti di Analisi e di Testing fisico su componenti.

La Modellazione e la Simulazione virtuale sono strumenti tipicamente utilizzati nelle fasi di impostazione e di verifica di un progetto. Tanto più è accurata questa fase, tanto più si possono prevedere potenziali problematiche, limitarne l’occorrenza e gli effetti e dunque garantire al prodotto finale, qualunque esso sia, livelli più elevati sia di qualità che di performance. La metodologia fornisce strumenti e dati oggettivi su cui basare il processo decisionale che porta alla definizione di un progetto.

Con le moderne tecniche di Modellazione e Simulazione virtuale è possibile abbreviare i tempi totali di Sviluppo Prodotto per portare prodotti più freschi e concetti più aggiornati sul mercato globale. Gli stessi strumenti permettono un dimensionamento più efficace dei sistemi complessi: prevedere e validare in modo preciso il livello di performance offerto dalla macchina è ora possibile, fornendo al contempo un’ulteriore leva competitiva per l’OEM.

Il cliente finale può verificare le effettive condizioni di funzionamento del sistema nelle condizioni d’utilizzo riscontratesi nei suoi impianti e dunque trarne il vantaggio dell’ottimizzazione delle une rispetto alle altre.

Fino a pochi anni fa non è stato possibile cogliere questi vantaggi poiché ogni analisi sarebbe stata fortemente limitata dalle effettive potenzialità dei calcolatori. Le capacità ad oggi disponibili hanno permesso di implementare algoritmi efficaci per risolvere teorie aggiornate e fornire risultati affidabili rappresentativi di molti fenomeni reali.

La SKF ha sviluppato internamente due piattaforme di calcolo per la Modellazione e la Simulazione, ciascuna dedicata all’analisi di dettaglio di alcuni aspetti ricorrenti nella progettazione. SKF Engineering Consultancy Services è l’ente che mette a disposizione questa conoscenza ai clienti con progetti “confezionati su misura” in base alle specifiche esigenze.

SKF Orpheus

Il software di calcolo utilizzato per la Simulazione del funzionamento di sistemi complessi è chiamato SKF Orpheus. Questo strumento permette la creazione di modelli composti da numerosi elementi di tipo diverso: geometrie 3D dei componenti del cliente, alberi, ingranaggi, molle, smorzatori e, ovviamente, cuscinetti. Il sistema è in grado di valutare in modo realistico il comportamento di ciascun oggetto e, allo stesso tempo, le sue interazioni con gli altri corpi.

La simulazione mette in relazione i fenomeni microscopici con quelli macroscopici, effettuando così un’analisi che fornisce risultati affidabili e dettagliati a livello di sistema e per ciascuno degli elementi che lo compongono.

Analisi

È possibile utilizzare lo stesso modello per analisi diverse in modo da verificare contemporaneamente condizioni di lavoro differenti. Le analisi più frequenti si effettuano con calcoli statici, quasi-statici o dinamici.

Un’analisi statica è tipicamente utilizzata per valutare le deformazioni indotte dai carichi e per la stima del coefficiente di sicurezza dell’applicazione: il valore è indicativo della “bontà” del dimensionamento effettuato.

L’analisi quasi-statica differisce dalla precedente per la presenza della velocità dei vari componenti. È dunque possibile il calcolo della vita teorica a fatica dei cuscinetti secondo la formulazione standard (ISO 281:2003) oppure secondo la formula integrale SKF Advanced Fatigue Calculation, strumento decisamente più evoluto e in grado di considerare un maggior numero di effetti. È possibile riprodurre una storia temporale di carico introducendo forze di entità diversa in intervalli di tempo discreti per valutare in modo realistico il ciclo di lavoro dell’applicazione. Si può inoltre studiare in modo rapido la sensibilità di un sistema alla variazione di uno o più parametri, ad esempio il precarico, per ottimizzarne il valore in funzione dell’obiettivo primario posto dal cliente (rigidezza, durata operativa, attrito…).

L’analisi dinamica prevede che le condizioni al contorno variino in modo continuo nel tempo: transitori di accensione/spegnimento, forze rotanti e squilibri sono tipici casi in cui è necessario svolgere questo tipo di verifica. L’obiettivo è valutare che i parametri critici per i cuscinetti e per gli altri componenti rimangano entro limiti accettabili anche quando sottoposti ai sovraccarichi inerziali.

Selezionando le analisi più opportune e utilizzando le caratteristiche reali dell’applicazione è possibile ottenere una valutazione dettagliata delle condizioni di funzionamento e dunque rispondere in modo accurato alle richieste del cliente, dando basi scientifiche al suo progetto.

Per soddisfare esigenze sempre crescenti di dettaglio e di complessità, il software viene costantemente aggiornato: di seguito alcune delle principali novità!

Ruote dentate

Il modello funzionale per le ruote dentate è stato recentemente potenziato per permettere analisi ancora più accurate di questi componenti critici. È ora possibile definire il profilo del dente utilizzando tutti i principali fattori correttivi; è inoltre possibile modellarne la flessibilità. Le deformazioni degli ingranaggi influiscono sulle deformazioni degli altri componenti e viceversa, dunque la valutazione delle pressioni di contatto tra i denti rispecchia le effettive condizioni di ingranamento delle ruote. Il cliente potrà quindi ottimizzare il profilo sulla base di dati precisi e corrispondenti alle condizioni di funzionamento attese.

Bulloni

• Possibilità di connettere componenti per mezzo di collegamenti filettati

• Possibilità di considerare l’effetto di fori negli anelli dei cuscinetti

• Libreria ISO editabile

• Considerazione realistica degli effetti del precarico / gap

• Valutazione della rugosità superficiale.

Produzione di calore/Attrito

• Stima della temperatura è fondamentale per tanti parametri (brg life, lubrificante, clearance, raffreddamento ext. …)

• Introduzione del nuovo modello d’attrito (4 sources)

• Gradiente termico sfrutta tecnica FEM-CMS

• Attrito genera calore nel cuscinetto, componenti adiacenti lo dissipano.

Versioni specifiche di Orpheus

Vi sono infine due versioni derivate di Orpheus dedicate ad applicazioni specifiche. La prima è Slewind, per la verifica di cuscinetti per il passo delle pale di turbine eoliche; Slewind include una funzionalità per ridurre una grossa quantità di carichi eolici a una porzione rappresentativa necessaria per il calcolo della vita del cuscinetto. Il secondo derivato è SWEEP, dedicato ad alloggiamenti di cuscinetto per mozzo nel settore automobilistico, delle corse e nelle applicazioni fuori strada.

SKF BEAST

I cuscinetti a rulli non possono essere modellati facilmente e in modo accurato usando un software multifunzionale e a dinamica multibody, poiché le esigenze relative alla velocità e all’accuratezza dei modelli di calcolo della forza di contatto sono troppo elevate. La SKF ha sviluppato un programma di simulazione che soddisfa tali esigenze, in cui il calcolo parallelo e l’utilizzo di un sistema strutturato di equazioni vengono utilizzati per velocizzare ulteriormente i calcoli. Lo strumento di simulazione si chiama BEAST, BEAring Simulation Tool. BEAST è un programma di simulazione multi-body mirato principalmente a problemi di contatto. Contiene un modello di superficie accurato e modelli di contatto generali così come un modello di attrito completo – dai contatti ad attrito a secco a quelli completamente lubrificati. I modelli di lubrificazione si basano su un tipo di lubrificazione elasto-idrodinamica e possono essere applicati dalle condizioni di flusso totale a quelle di carenza di flusso. I corpi in SKF BEAST possono essere flessibili. È infine possibile utilizzare le condizioni presenti di funzionamento come input per le simulazioni.

SKF BEAST permette di capire il funzionamento o il mancato funzionamento delle applicazioni mediante l’analisi del comportamento dinamico di componenti in funzione del tempo. Un esempio è costituito dalle sfere oscillanti e dalle instabili gabbie all’interno del cuscinetto, che possono costituire la ben nota fonte di rumore. SKF BEAST può inoltre calcolare le forze di contatto per la totalità dei punti di contatto tra ogni componente del cuscinetto, e ciò serve a verificare, ad esempio, se le forze su una gabbia e sugli anelli rientrano nei limiti di un certo tipo di cuscinetto. BEAST può inoltre verificare le condizioni di lubrificazione in ogni punto di contatto, controllando le aree non lubrificate, l’usura e gli strisciamenti. Ne consegue che SKF BEAST avendo la possibilità di calcolare le perdite di attrito su un’applicazione permette di ridurle.

SKF BEAST viene usato in SKF per lo sviluppo di tutti i tipi di cuscinetti, dai più piccoli cuscinetti radiali a sfere usati nei pattini a rotelle, alle ralle di orientamento degli escavatori. Tuttavia anche i clienti SKF possono trarre aiuto da SKF BEAST per migliorare o verificare la loro applicazione nonché per trovare la causa principale di un problema. SKF BEAST non viene solo usato per i cuscinetti, ma trova anche applicazione nei sistemi multi-body in cui il contatto è importante. Esempi di tali applicazioni, in cui è stato utilizzato BEAST, sono mandrini di avvitamento, inseguitori a camma, motori idraulici e trasmissioni planetarie.

Conclusioni

Orpheus e BEAST sono due programmi di simulazione SKF, il primo focalizzato sui cuscinetti e il relativo ambiente, il secondo sul comportamento dinamico all’interno di sistemi meccanici. Entrambi possono essere considerati come strumenti di prova virtuale che forniscono un primo quadro sul comportamento dei cuscinetti e dell’area ad essi circostante. Pertanto tali programmi possono aiutare i clienti a:

• Velocizzare lo sviluppo prodotto e i relativi test, riducendo in tal modo il tempo di immissione sul mercato

• Ridurre in modo significativo il costo progettuale sul ciclo vita

• Migliorare la prestazione e l’affidabilità delle macchine

• Fornire un quadro sulle possibilità, i limiti e la robustezza delle macchine, anche prima dell’esistenza di un prototipo, prevenendone i guasti

• Identificare la causa principale di macchine difettose.

Qualora foste interessati a saperne di più su Orpheus e BEAST, non esitate a contattare il vostro account team o SKF Engineering Consultancy Services.