Modellazione di un sistema rotore-cuscinetto tramite FEM per analisi delle vibrazioni = Modeling of a rotor-bearing system via FEM for vibration analysis

Nei campi più avanzati dell’ingegneria moderna, l’utilizzo del “condition monitoring” si è diffuso in quanto metodo efficace per il miglioramento della qualità dei prodotti, della efficacia delle macchine e della durata della vita utile dei componenti. Questa tecnica consiste nella valutazione continua delle condizioni di lavoro di un sistema attraverso lo studio di parametri rilevanti, quali le vibrazioni. Tuttavia, per poter realizzare questa innovazione, è necessario, innanzitutto, definire un ricco database di possibili comportamenti anomali associati all’applicazione di interesse. La raccolta delle informazioni necessarie può avvenire per mezzo di test sperimentali, da realizzarsi per ciascuna delle principali condizioni di danneggiamento, oppure attraverso simulazioni digitali. Quest’ultima opzione è quasi sempre preferibile in quanto i costi per lo svolgimento di prove su prototipi fisici possono diventare molto elevati specie se paragonati al semplice cambio di parametri all’interno di un modello. L'oggetto di questa tesi è lo sviluppo e validazione di uno di questi modelli, con l’intento di emulare le vibrazioni di un sistema rotore-cuscinetto in presenza di difetti sulle superfici di contatto. Più precisamente, un banco prova, presente al Politecnico di Torino, è stato preso a riferimento per lo studio, mentre i dati sperimentali ottenuti dalla piattaforma sono stati confrontati con i risultati della simulazione per convalidarla. I cuscinetti sottoposti a test sono del tipo SKF 22240 CCK/W33 (cuscinetti orientabili a doppia corona), ed una coppia di essi è stata appositamente danneggiata per questo ed altri studi sulla questione. Il progetto è stato sviluppato prendendo in considerazione un’ampia selezione di articoli inerenti al tema. In essi venivano presentate le principali soluzioni adottate dalla letteratura per descrivere il fenomeno in questione (vibrazioni associate a difetti). La soluzione finale è stata definita suddividendo i due principali eventi fisici di interesse, ed analizzandoli con software dedicati. La prima di queste due parti è stata implementata in un codice MATLAB ed ha riguardato la simulazione delle forze associate all’impatto dei corpi volventi in corrispondenza dei difetti mediante la teoria del contatto Hertziano. I parametri in input del programma sono i dati relativi i carichi esterni, la velocità di rotazione, le proprietà del materiale e la geometria del difetto, mentre l’output restituito è un treno di impulsi localizzati definiti su brevi intervalli di tempo. Per la seconda parte, il software Solidworks è stato utilizzato per la rappresentazione in formato CAD dell’anello esterno del cuscinetto accoppiato con l’adattatore, presente nel banco prova originale, per favorire l’applicazione uniforme dei carichi radiali ed assiali esterni. Successivamente, il modello è stato trasferito in Ansys per l’analisi delle vibrazioni attraverso l’applicazione delle forze impulsive, precedentemente valutate, in corrispondenza del difetto. Il sistema studiato è stato sviluppato per emulare il semplice caso di presenza di un difetto posto sull’anello esterno (fisso) del cuscinetto. I risultati ottenuti sono poi stati confrontati con i dati sperimentali ricavati in laboratorio e verificati. Infine, studi preliminari in merito all’analisi di casi più complessi, quali la presenza di difetti sull’anello interno o i corpi volventi, sono stati valutati.