Piattaforma Aerea – ita

Alessandro Zanin 1041177 - alessandro@alessandrozanin.it - Degree in Mechanical Engineering

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Obiettivi

Dimostrare la reale fattibilità delle prestazioni dichiarate riguardo il progetto PRT_26 dal punto di vista dinamico:

  • Ciclo di lavoro completo con movimenti combinati
  • Reazioni al suolo
  • Coppia di sollecitazione media della ralla con funzionamento a prestazioni massime di apertura
  • Frequenze proprie componenti critici (bracci in particolare)

In tutte le simulazioni fatte e nei relativi video la piattaforma sarà rappresentata da componenti che rispettano le caratteristiche di massa (e relativi centri di massa) ma non di forma dato che l’innovazione sta proprio nelle geometrie (i disegni della parte aerea non sono quelli della piattaforma in analisi).

Come meglio mostrato successivamente saranno applicate accelerazioni e decelerazioni molto elevate per verificare la stabilità anche in condizioni di avaria della macchina.

I commenti sui risultati verranno esposti dopo la descrizione del PRT_26 ma voglio da subito dedicare questi risultati a tutte le aziende ITALIANE leader del settore che nonostante siano state costruite e attualmente in circolazione (IN GERMANIA) macchine che montano il Telaio mm7.7 della PRT_26 hanno giudicato NON POSSIBILE la realizzazione di una macchina con tali prestazioni (cito in particolare le parole di un direttore tecnico di una multinazionale) : ” Se non siamo riusciti noi che è da trent’anni che facciamo piattaforme a fare una macchina così, vuole esserci riuscito lei? “

Nel seguito una breve descrizione circa il progetto PRT_26.

 

Introduzione

Nell’anno 2009 ho ideato un telaio di nuova concezione, applicabile a chassis Mercedes Sprinter [passo 4325 mm], VW Crafter [4325 mm], Iveco Daily [4100 mm] 3,5t (patente B).

Da qui è nato il progetto complessivo della piattaforma.

Prestazioni di massima:

  • Peso : 3400 kg (serbatoio pieno)
  • Distribuzione pesi : asse anteriore 1630 kg;asse posteriore 1770 kg;
  • Spessore carpenteria : ≥ 3mm
  • Area di lavoro: allegato 1.1

 

Telaio (basamento)

La progettazione rispetta gli standard imposti dalla norma UNI EN 280 dell’Agosto 2009, nonché particolare attenzione è stata rivolta alla creazione di particolari di facile assemblaggio (carpenteria).

Le fasi di produzione del primo esemplare sono state eseguite sotto la supervisione del sottoscritto;

le procedure operative hanno portato all’installazione e immediata esecutività dello stesso sullo chassis del furgone; non è stata quindi necessaria la costruzione di un secondo esemplare.

Su tale basamento è stata installata una parte aerea già esistente, in possesso del cliente.

 

Parte aerea

Lo studio di tutti i componenti al di sopra della ralla rispettano gli standard imposti dalla norma UNI EN 280 dell’Agosto 2009.

In particolare, alcuni di questi componenti (TORRETTA) consentono la riduzione dei pesi e l’incremento della stabilità e rigidità della struttura .

 

Prove di carico (virtuali e reali)

La modellazione 3D e la successiva analisi con METODO ELEMENTI FINITI (FEM) hanno permesso la valutazione delle ipotesi di base fatte per la nuova struttura.

Con tali strumenti si sono verificati sforzi, deformazioni, giunzioni, resistenza a fatica (vita del manufatto) e buckling (instabilità strutturale).

Prestazioni strutturali (versione virtuale) basamento :

  • Carico assiale ralla = 210% del carico nominale
  • Momento (coppia) flettente ralla = 120% della coppia nominale ottenuta in posizione di massima estensione (allegato 1.1) della macchina (anteriore, posteriore, laterale)
  • Peso del furgone

Con i sopracitati carichi la struttura (basamento) ha una vita superiore a 6×104 cicli e una deformazione inferiore ai 10mm nella posizione di massimo sforzo (bracci in massima estensione orizzontale allineati con la gamba anteriore del basamento).

Prestazioni strutturali (versione reale) basamento :

  • Carico assiale ralla = 210% del carico nominale
  • Momento (coppia) flettente ralla = 120% della coppia nominale ottenuta in posizione di massima estensione (allegato 1.1) della macchina (anteriore, posteriore, laterale)
  • Basamento installato su chassis Mercedes Sprinter 313 CDI [passo 4325mm]

I test hanno confermato i risultati virtuali al 100%, in particolare una deformazione calcolata di 7,7mm ha avuto riscontro misurato di 8mm.

Ribaltamenti: esito positivo.

 

Simulazioni dinamiche

 

Da qui iniziamo a far muovere la macchina rispettando le velocità max consentite da normativa ma in realtà quello che ci interessa è farla accelerare e frenare bruscamente… sino a portarla al limite!

È banale far notare che le accelerazioni in gioco sono improponibili per un operatore che si trova sul cesto di lavoro, ma qui stiamo parlando di prestazioni pure.

Basket accelerationNel grafico intorno a 280 [sec] si notano dei picchi dovuti ad una decelerazione estrema nella fase di massima apertura del pistone che solleva i bracci. Al di la di questo evento vi sono accelerazioni e decelerazioni che superano i 16[m/s2] senza che la macchina accenni al ribaltamento.

 

La normativa prevede velocità max rispettivamente:

  • 0.4 [m/s] per spostamenti di estensione dei bracci
  • 0.4 [m/s] velocità periferica per salita e discesa
  • 0.7 [m/s] velocità periferica dovuta a rotazione

Velocità periferiche in fase di ascesa-discesa e rotazione

 

Vediamo i comandi che impongono tali movimenti:

Comando bracci

Comando sollevamento

Comando rotazione

 

Le conseguenze di queste sollecitazioni dinamiche e la relativa capacità della macchina a sopportarle sono ben esemplificate dal prossimo grafico il quale, mappa l’andamento delle forze normali che nascono su ogni stabilizzatore:

 

Ogni curva (verde, rossa, gialla e blu) indica la forza di reazione verticale rispettivamente di ogni stabilizzatore. È proprio questo grafico che giustifica la stabilità della macchina; possiamo notare che vi sono momenti in cui la reazione di UNO stabilizzatore va a ZERO. La cosa non deve stupire, in quanto stiamo lavorando a prestazioni massime e il punto di contatto tra stabilizzatore e terreno è una sfera (anche costruttivamente i piedi hanno un giunto sferico); questo, unito alle deformazioni di struttura, porta (in certe condizioni) ad avere una gamba che non contribuisce all’equilibrio. Poco male, sappiamo che un piano è definito da tre punti nello spazio e quindi, come mostrato dalle bande tratteggiate, in ogni istante almeno TRE stabilizzatori su quattro offrono reazione e l’equilibrio è garantito.

Va da sé che il dimensionamento statico degli stabilizzatori deve tener conto di questo.

 

TORQUE sull’elemento Ralla

La normativa che definisce gli standard per la progettazione di queste macchine da un’indicazione per il calcolo della vita della piattaforma in modo molto generico:

  • Utilizzo normale: 10 anni, 40 settimane l’anno, 20h per settimana, 5 cicli di carico per h;
  • Utilizzo pesante: 10 anni, 50 settimane l’anno, 40h per settimana, 5 cicli di carico per h.

 

Bene, se consideriamo il ciclo analizzato in questa simulazione (che è un ciclo alle massime prestazioni! cosa che nella realtà non si verifica mai), la coppia che in media agisce sulla Ralla è di 38170[N∙m], il che significa che l’analisi FEA eseguita a favore di sicurezza, dovrà usare questo valore come picco di sollecitazione per l’elemento TELAIO; non solo, anche l’andamento della sollecitazione di carico inciderà sull’analisi FEA.

Spiegazione

Nell’analisi FEA possiamo impostare la tipologia di ciclo di sollecitazione: alternata con rapporto R=-1, alternata base zero con rapporto R=0, ecc.

Avere un ∆Torque di 38000[N∙m] con ciclo di sollecitazione base zero, significa che il picco appunto vale 38000[N∙m] perciò, facendo riferimento alle indicazioni della normativa, per un utilizzo normale della macchina l’analisi FEA deve dare esito positivo con tale valore e superare i 40000 cicli.

A questo punto si capisce l’importanza di conoscere questo valore in quanto consente di verificare l’effettiva sicurezza nei confronti della fatica che la macchina offre.

Ed è stato questo uno dei punti che ha dato ragione alle analisi FEA precedentemente fatte; si perché il TELAIO denominato MM7.7STRUCTURE (consultabile nel sito www.alessandrozanin.it) ha dato esito positivo con la seguente sollecitazione:

  • Carico assiale ralla = 210% del carico nominale
  • Momento (coppia) flettente ralla = 130% della coppia nominale ottenuta in posizione di massima estensione (allegato 1.1) della macchina (anteriore, posteriore, laterale)
  • Peso del furgone

Dire 130% della coppia nominale significa aver caricato il telaio con una Torque di 50000[N∙m] nella posizione più sfavorevole (costruttivamente più debole) e aver superato il limite imposto da normativa, arrivando oltre 60000 cicli.

Inciso: per coppia nominale si intendono 150 [Kg] sul cesto di lavoro perchè la EN280 richiede di fare i test statici e di ribaltamento con il 50% di peso in più rispetto al funzionamento consentito della macchina; le prestazioni commerciali sono quelle riportate nell’allegato 1.1.

 

Frequenze proprie dei componenti critici

Vediamo infine perché è importante avere un ordine di grandezza di quelle che sono le frequenza proprie di vibrazione della macchina.

In particolare gli elementi che risentono della pericolosità di forzanti impresse con una certa pulsazione sono i bracci che quando estesi presentano deformazioni apprezzabili.

Pensiamo alla manovra di discesa o di salita e immaginiamo che per un problema elettromeccanico o per divertimento/incoscienza dell’operatore la macchina cominci a funzionare a scatti.

Questa condizione può diventare assai pericolosa e generare condizioni di risonanza che più che avere effetti dannosi sulla struttura può generare un’amplificazione dei carichi che si traduce con il ribaltamento della macchina.

Anche questa analisi va fatta con le dovute cautele, al fine di non essere indotti in errore trascurando alcune situazioni e dando per scontato che la prima frequenza propria sia la più pericolosa.

Come meglio mostrato di seguito è necessario valutare una “banda” di frequenze da evitare dettate da diverse condizioni di carico, in particolare:

  • Senza operatore a bordo

 

 

  • Con operatore a bordo

 

Visti i video si nota immediatamente che le frequenze proprie più pericolose sono le prime due perché sono le più basse e quelle con maggior probabilità di manifestarsi.

Si spiega inoltre il perché della “banda” di frequenze: se si fosse analizzato il solo caso con operatore, l’effetto benefico del peso dello stesso operatore e della relativa attrezzatura che si porta appresso avrebbero fatto dimenticare le frequenze più basse che si possono manifestare quando si manovra la macchina da terra o quando il peso in cesto è inferiore a quello utilizzato per l’analisi di risonanza.

È rilevante la differenza di frequenza tra un cesto caricato a 180Kg rispetto a un cesto vuoto:

  • Cesto vuoto: 4.38 [Hz]
  • Cesto pieno : 21 [Hz]

Attenzione ai segnali di comando e al controllo delle valvole proporzionali!

Un’ultima analisi redatta con ANSYS® sul TELAIO ha evidenziato modi di vibrare in contrasto rispetto alla struttura aerea con frequenze pari a :

  • 12.7 [Hz]
  • 27.6 [Hz]

questa cosa favorisce il mutuo smorzamento delle vibrazioni delle strutture sopra e sotto la ralla.

 

Concorrenza

Due parole sulla concorrenza sono d’obbligo e spiegano il motivo della nascita di questo progetto.

Attualmente solo un’azienda è riuscita nell’impresa di fabbricare una macchina con prestazioni simili a quella esposta in questo breve dossier.

I problemi che si sono qui analizzati sono ovviamente solo una parte del complesso che caratterizzano il progetto ma sono serviti a completarlo in maniera formale e scientifica e a togliere gli ultimi dubbi sulla capacità di riuscita dello stesso.

Ricordando le prestazioni di massima menzionate all’inizio:

  1. Peso : 3400 kg (serbatoio pieno)
  2. Distribuzione pesi : asse anteriore 1630 kg;asse posteriore 1770 kg;
  3. Spessore carpenteria : ≥ 3mm
  4. Area di lavoro : allegato 1.1

i punti 1) e 3) sono quelli che fanno la differenza rispetto alla Ruthmann TB270.

Ruthmann offre le sue prestazioni su di un Autotelaio con tara a 3.5[Ton] montando alcuni bracci con spessori inferiori ai 2[mm], una Torretta dalla flessibilità elevata ed una Ralla dal peso contenuto (la Ralla della PRT_26 pesa 110Kg !).

Ruthmann è un’azienda leader nel settore piattaforme e la macchina che hanno creato lo dimostra; in Italia invece: “Se non siamo riusciti noi che è da trent’anni che facciamo piattaforme a fare una macchina così, vuole esserci riuscito lei?”

 

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