STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI PROTEZIONE PER ESCAVATORI

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Tesi di laurea in Disegno Tecnico Industriale STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI PROTEZIONE PER ESCAVATORI Tesi di Laurea di: Luca Dapporto Relatore: Prof. Ing.. Luca Piancastelli Sessione I Anno Accademico 2002/2003

2 Obiettivo Obiettivo di questo lavoro di tesi è progettare una struttura di protezione ROPS (Roll Over Protective Structures) e FOPS (Falling Object Protective Structures) per escavatori con massa non superiore a kg.

3 Fasi del progetto Studio delle norme armonizzate e degli standard internazionali relativi all argomento trattato; Dimensionamento di massima senza l ausilio del computer; Dimensionamento ed ottimizzazione della struttura con l utilizzo di un programma di calcolo con gli elementi finiti (Ansys); Realizzazione di un modello solido tridimensionale comprensivo di un possibile attacco per consentirne il montaggio sulla macchina; Studio dell assieme con Cosmos per un analisi più dettagliata sulla struttura e sugli attacchi.

4 Fase iniziale del progetto Il datore di lavoro, facendo un analisi dei rischi connessi con l uso della macchina, se ravvisa il rischio di ribaltamento e pericolo di caduta oggetti, deve adottare una struttura di protezione ROPS e FOPS. Progettista UNI EN ISO 3471 UNI EN ISO 10262

5 Dimensionamento di massima Scelta del materiale Struttura a due montanti Dimensioni: Fe 510 σ σ s = N / 353 mm R = 627N / 490 mm 2 2 Struttura saldata Tubi a sezione quadrata

6 Dimensionamento delle sezioni Semplificazione della struttura: Le forze ad essa applicate verranno dimezzate, essendo questa metà struttura reale e nell ipotesi che ogni montante e traversa orizzontale collegata assorbano metà del carico: - F l = N N - F p = N N

7 Dimensionamento delle sezioni Traverse orizzontali 80x80x5 100x100x5 120x120x5 140x140x5 σ f = 1052N / mm σ f = 641N / mm σ f = 431N / mm σ f = 310N / mm x120x5 140x140x5 Montanti 120x120x5 120x120x12 140x140x8 180x180x5 180x180x10 σ = eq σ = 2 eq 536N / mm = 2 eq 501N / mm 1031N / mm σ 2 σ = eq 450N / mm σ = eq 258N / mm x120x12 140x140x8 180x180x5 Si sono determinate le possibili sezioni per le traverse orizzontali e i montanti

8 Utilizzo di Ansys Scopi: Determinare la sezione idonea per i montanti, le traverse orizzontali e i tubolari di collegamento trasversali, Possibilità di realizzare il modello con gli elementi beam, Valutare l andamento delle tensioni sull intera struttura.

9 Utilizzo di Ansys Scelta delle sezioni per le traverse orizzontali e tubolari trasversali di collegamento: modello 1: sezione» montanti 140x140x8» traversa orizzontale 140x140x5» tub. trasversali di collegamento 140x140x5 modello 2:» montanti 140x140x8» traversa orizzontale 120x120x5» tub. trasversali di collegamento 120x120x5

10 Utilizzo di Ansys Modello 1 σ = 320 N / mm 2 σ = 269 N / mm 2

11 Utilizzo di Ansys Modello 2 σ = 449 N / mm 2 σ = 420 N / mm 2

12 Utilizzo di Ansys Si sceglie la sezione di 120x120x5 sia per le traverse orizzontali che per i tubolari trasversali di collegamento. Si procede in maniera analoga per determinare la sezione più adatta per i montanti; le sezioni possibili sono: 120x120x12, 140x140x8, 180x180x5. Dal confronto con altri modelli si sceglie come sezione ottimale quella da 140x140x8 dove, nella sezione più sollecitata, si ottiene un valore della tensione pari a 430 N/mm 2. Conclusione: con Ansys sono state definite le dimensioni caratteristiche della struttura, per uno studio più dettagliato si costruirà un modello tridimensionale della ROPS e degli attacchi e verificherà l assieme con Cosmos.

13 Realizzazione dell assieme con Solid Edge e studio di una tipologia di attacchi Lo studio di una tipologia di attacchi è stato fatto a completamento del lavoro per garantire il montaggio definitivo della struttura su un possibile tipo di escavatore. la stessa struttura può essere montata anche su altri escavatori, utilizzando, però, attacchi studiati specificamente per essi ed in grado di soddisfare i requisiti minimi di sicurezza.

14 Disegno degli attacchi

15 Analisi con Cosmos Design Star Carico laterale MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm Vincoli: posizionati vincoli fissi sulle basi degli attacchi e vincoli contro lo sfilamento e la rotazione dei perni. Carico: applicata una F l =98110 N come in figura. Sollecitazioni: in rosso sono evidenziate le zone che superano lo snervamento.

16 Analisi con Cosmos Design Star Vista degli attacchi MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm Sollecitazioni: evidenziate solo le zone che superano la tensione ammissibile (240N/mm 2 ). Come mostra l immagine gli attacchi non hanno alcun problema di resistenza alle sollecitazioni indotte dal carico laterale

17 Analisi con Cosmos Design Star Particolare dell estremità inferiore del montante sinistro MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm Sono state colorate solamente le parti che hanno una sollecitazione interna superiore a 150 N/mm 2 Si può notare che la sezione più sollecitata per il montante è in corrispondenza della fine del blocchetto.

18 Analisi con Cosmos Design Star Ingrandimento della parte superiore della struttura MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm La piastra di rinforzo posizionata all intersezione tra i montanti e le traverse orizzontali permette una più omogenea distribuzione delle sollecitazioni evitando le concentrazioni in corrispondenza delle saldature. Sollecitazioni: sono state evidenziate le zone che hanno una sollecitazione superiore a 150N/mm 2.

19 Analisi con Cosmos Design Star Carico longitudinale MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm Vincoli: posizionati vincoli fissi sulle basi degli attacchi e vincoli contro lo sfilamento e la rotazione dei perni. Carico: applicata una F p =78082 N come in figura. Sollecitazioni: in rosso sono evidenziate le zone che superano lo snervamento.

20 Analisi con Cosmos Design Star Ingrandimento degli attacchi MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm L immagine mostra l andamento delle sollecitazioni superiori a 100 N/mm 2 sulle parti che compongono gli attacchi. Come nella configurazione di carico laterale le sollecitazioni indotte sugli attacchi non danno problemi.

21 Conclusioni Come risultato di questa progettazione si sono determinate le caratteristiche costruttive che dovrà avere una struttura di protezione ROPS e FOPS da montare su escavatori idraulici con massa non superiore a kg. Importante sottolineare che, comunque, questo dispositivo di sicurezza, prima di ottenere la conformità alla direttiva macchine e poter essere commercializzato, dovrà superare i test distruttivi dettagliati nelle ISO 3471 e ISO relative rispettivamente alla protezione ROPS e FOPS.

22 Conclusioni

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24 complessivo

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28 Normative Direttiva macchine punto dell Allegato I punto dell Allegato I Norme armonizzate UNI EN UNI EN l escavatore può recare la marcatura CE anche se non provvisto di una struttura ROPS

29 Analisi con Cosmos Design Star Vista degli attacchi MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm Vista posteriore delle estremità inferiori dei montanti, si può notare la presenza del blocchetto che permette il fissaggio con gli attacchi.

30 Analisi con Cosmos Design Star Carico longitudinale MESH: High EL. SIZE: 35 mm NODI: ELEMENTI: mm Sollecitazioni:evidenziate solo le zone che superano la tensione ammissibile (24daN/mm 2 ). Con questo sistema di visualizzazione è possibile vedere in dettaglio le sollecitazioni sui singoli elementi che compongono gli attacchi.

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32 F = U 0,9 s max