SPERIMENTANDO 2011 RELAZIONE I.S.I.S.S. GIUSEPPE VERDI di VALDOBBIADENE (TV) Area scientifica individuata: fisica-meccanica GRUPPO DI LAVORO: Classe: Studenti: 4^A ITIS Adami Alessandro, Costa Nicola, Colomberotto Doriano, Giacomel Filippo, Precoma Matteo Docente referente: Carmelo Leone
INDICE: 1. PREMESSA...3 2. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO...3 3. L ESPERIMENTO: DAL PROGETTO AL PRODOTTO...5 a) PROGETTAZIONE ESECUTIVA...5 TAVOLA GRAFICA:...6 FOGLI DI LAVORO:...7 MATERIALI UTILIZZATI:...10 MACCHINE E STRUMENTI UTILIZZATI:...12 b) CONCRETIZZAZIONE DEL PROGETTO...12 LE PULEGGE:...12 GLI ALBERI E LE BRONZINE:...12 I SOSTEGNI ED IL MONTAGGIO:...13 4. PROVE E MISURE:...14 5. PROBLEMI INCONTRATI E SOLUZIONI ADOTTATE:...14 6. INFORMAZIONI SULL UTILIZZO:...15 7. CONCLUSIONI E RISULTATI FINALI:...15 8. RINGRAZIAMENTI:...15 9. BIBLIOGRAFIA:...15 Classi 4^A ITIS Pagina 2 di 15
1. PREMESSA Il percorso di studi degli istituti tecnici industriali con specializzazione meccanica, prevede nel suo terzo anno lo studio e l approfondimento di alcune macchine semplici, tra le quali vi è il paranco: oggetto con vasta applicazione nel sollevamento dei carichi grazie ai vantaggi che comporta. Abbiamo pensato di realizzarne uno di dimensioni ragionevoli per una prova pratica e che allo stesso tempo potesse adattarsi agli spazi generalmente a disposizione all interno degli edifici scolastici. L obbiettivo principale, relativo la costruzione del paranco, è stato il ragionamento sulla ripetitività dell esperienza per gli anni a venire, cercando di realizzare e relazionare: un progetto esecutivo; un foglio di lavoro per la costruzione dei componenti; una lista di materiali dettagliata. 2. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Il paranco è una macchina semplice con lo scopo di ridurre la forza necessaria per compiere il lavoro per lo spostamento dei carichi. Solitamente questi sistemi vengono utilizzati per il sollevamento di carichi pesanti e sono installati in carri-ponte o gru per la loro movimentazione; la riduzione dello sforzo avviene attraverso l insieme di componenti che costituiscono il paranco di cui almeno uno è mobile (puleggia mobile) ed uno è fisso (puleggia fissa) collegati tra loro attraverso una corda che scorrendo tra le due o più, moltiplica l effetto della forza applicata. Il paranco è una macchina vantaggiosa in quanto la forza motrice (forza da applicare) è minore di quella resistente (peso da sollevare). Il vantaggio K di una macchina semplice si definisce come il rapporto tra la forza resistente Q e quella motrice F: Q K = (1) F Se K è maggiore di 1 la macchina è vantaggiosa, mentre se K è minore o uguale a 1 l utilità della macchina si limita solamente alla variazione di direzione della forza motrice. Se più macchine semplici vengono messe in serie il vantaggio complessivo dell insieme vale il prodotto dei singoli vantaggi parziali di ciascuna macchina: K = K K... 1 2 K n (2) Per poter capire il funzionamento del paranco dobbiamo analizzare inoltre quello relativo alle pulegge mobili e quello relativo alle pulegge fisse. La puleggia fissa non offre alcun vantaggio effettivo (K=1), ma viene impiegata allo scopo di modificare la retta d azione e il verso della forza F da applicare. Quindi la forza F da applicare è uguale alla forza resistente Q: F = Q (3) Classi 4^A ITIS Pagina 3 di 15
Nella puleggia mobile invece, supponendo di poter trascurare il peso della puleggia stessa e quello della fune che la avvolge, la forza da applicare è pari a metà di quella resistente: Pertanto il relativo vantaggio vale: K = 2 Q F = (4) 2 Dopo queste premesse, si può definire come paranco semplice, l accoppiamento tra una puleggia fissa ed una mobile, dove il vantaggio K è pari al prodotto tra il vantaggio della puleggia fissa (Kf) e quello della puleggia mobile (K m ): K K f K = 1 2 = 2 (5) = m Quindi al forza motrice F da applicare è pari alla metà della forza resistente Q. Il vantaggio del paranco può essere ulteriormente accresciuto, adottando due pulegge fisse e due pulegge mobili; con pulegge raddoppiate la fune dovrà compiere un secondo passaggio sulla seconda puleggia mobile, per ripassare poi sulla seconda puleggia fissa. Questo meccanismo è noto come paranco multiplo. Anche in questo caso è opportuno valutare l entità della forza motrice ricorrendo al vantaggio che offre la macchina. Come abbiamo visto, il vantaggio K del paranco semplice è pari a 2; quindi il vantaggio complessivo di un paranco multiplo con due pulegge mobili è pari a: K = 2 2 = La forza motrice F da applicare quindi è uguale ad 1/4 la forza resistente: Q F = 4 Da esperienze pratiche si può dedurre che all aumentare del numero di pulegge che compongono il paranco la forza motrice F da applicare diminuisce. Quindi un paranco con n pulegge mobili può essere assimilato ad n paranchi semplici e pertanto il suo vantaggio vale: K = 2 n Per questi motivi il funzionamento del paranco, trascurando gli eventuali attriti, il peso delle pulegge mobili e quello della corda avvolta, si basa sulla seguente formula: 4 Dove F è la forza motrice da applicare Q è la forza resistente (peso) m è la massa del corpo g è l accelerazione gravitazionale n è il numero di pulegge del paranco Q m g F = = 2 n 2 n (6) Classi 4^A ITIS Pagina 4 di 15
3. L ESPERIMENTO: DAL PROGETTO AL PRODOTTO Dopo aver analizzato il funzionamento teorico del paranco ed aver visto alcune applicazioni di questa macchina anche attraverso le pubblicazioni su internet, abbiamo tracciato le linee guida generali in merito alle prestazioni che si volevano raggiungere e delle conseguenti dimensioni. Il paranco da noi progettato e realizzato, è quindi composto da tre pulegge fisse e tre mobili, così da ottenere, in applicazione di quanto citato nei paragrafi precedenti, una macchina in cui la forza da applicare F è uguale ad 1/6 il peso Q da sollevare, ottenibile dall applicazione della formula (6): Q Q F = = = 2 n 2 3 Q 6 Da questo presupposto, le attività per la realizzazione del nostro prodotto sono individuabili in tre fasi di lavorazione: 1. Progettazione esecutiva; 2. Realizzazione progetto esecutivo; 3. Prove e misure. Sulla scorta delle bozze preliminari, è iniziato il dimensionamento e la progettazione esecutiva del sistema al fine che la macchina potesse funzionare secondo i criteri e prestazioni scelte. a) PROGETTAZIONE ESECUTIVA Come la maggior parte delle idee da sviluppare, su un foglio, abbiamo preliminarmente riportato uno schizzo a mano libera per la messa a punto delle dimensioni ottimali delle pulegge e del relativo supporto; le dimensioni sono state scelte in base anche ai materiali a disposizione nella nostra officina. Dopo l analisi preliminare, è iniziato il dimensionamento e la rappresentazione grafica a mezzo computer con il software AutoCAD dei vari componenti del paranco ideato ed infine assiemati per la realizzazione del complessivo anche in tre dimensioni. Di seguito sono riportate le tavole grafiche a titolo rappresentativo, relative ad alcuni particolari costruttivi ed il complessivo realizzato, i fogli di lavoro per la produzione delle pulegge, la lista materiali per la realizzazione del progetto ed i macchinari utilizzati. Classi 4^A ITIS Pagina 5 di 15
TAVOLA GRAFICA: Classi 4^A ITIS Pagina 6 di 15
FOGLI DI LAVORO: FOGLIO DI LAVORO PULEGGE DATA:18/10/2010 SCUOLA: ISISS Giuseppe Verdi CLASSE: 4A ITIS LAVORAZIONI: Tornitura GRUPPO DI LAVORO: Adami Alessandro, Costa Nicola, REPARTO: Macchine Utensili MATERIALE: C35 avz Colomberotto Doriano, Giacomel Filippo, Precoma Matteo OGGETTO: Pulegge TOLLERANZE: ± 0,1 mm DISEGNO DEL PEZZO: Unità di misura: mm Scala 1,5:1 N FASE SCHIZZI DIMOSTRATIVI DESCRIZIONE FASE DI LAVORO UTENSILI ED ATTREZZI 10 Prelevare pezzo grezzo Ø 60 l=75. Guanti, metro, seghetto alternativo. 20 Sfacciatura Ø 20 l=6 e centratura. Ut per sf, mandrino, punta da centro. Classi 4^A ITIS Pagina 7 di 15
30 Sgrossatura Ø 58,5 l=30 Ut per sgr, contropunta. 40 Eseguire smusso 1,5 x 45. Ut per smussi, contropun ta. 50 Girare il pezzo e centrare. Punta da centro, mandrino. 60 Sgrossatura e finitura Ø 58. Ut per sgr, ut per fin, contropunta. 70 Sfacciatura. Ut per sfacciatura 80 Esecuzione gole Ø 46 l=8. Ut. tronc, contropunta. 90 Lavorazione conica. Ut. sagomato, contropunta. 100 Esecuzione gole Ø 19 l=5. Ut tronc, contropunta. 110 Eseguire fori e finitura interna Ø 22 H7. Punte Ø 5, 8, 10, 12, 15, 18, 20, ut per lavorazioni interne, micrometro centesimale. 120 Sfacciare a misura l=18. Ut per sf. Classi 4^A ITIS Pagina 8 di 15
FOGLIO DI LAVORO DELL' ALBERO DATA:18/10/2010 SCUOLA: ISISS Giuseppe Verdi CLASSE: 4A ITIS LAVORAZIONI: Tornitura GRUPPO DI LAVORO: Adami Alessandro, Costa Nicola, REPARTO: Macchine Utensili MATERIALE: C35 avz Colomberotto Doriano, Giacomel Filippo, Precoma Matteo OGGETTO: Albero cilindrico TOLLERANZE: ± 0,1 mm DISEGNO DEL PEZZO: Unità di misura: mm Scala 2:1 N DESCRIZIONE FASE DI SCHIZZI DIMOSTRATIVI FASE LAVORO UTENSILI ED ATTREZZI 10 Prelevare pezzo grezzo Ø 20 l=67. Guanti, metro, seghetto alternativo. 20 Eseguire sfacciatura e centratura. Ut per sf, mandrino, punta da centro. 30 Eseguire sgrossatura Ø 16,2 l=50. Ut per sgr, contropunta. Classi 4^A ITIS Pagina 9 di 15
40 Girare il pezzo, sfacciare a misura l= 67 e centrare. Ut per sf, mandrino, punta da centro. 50 Eseguire sgrossatura Ø 16,2. Ut per sgr, contropunta. 60 Eseguire finitura generale a Ø 16 h6. Ut per fin, mandrino, contropunta, micrometro centesimale. 70 Eseguire foro e filettatura M8. Punte Ø 5, 8, maschio per filettature. MATERIALI UTILIZZATI: - 2 cilindri di ferro C35 avz (con 0,35% di carbonio ad alta velocità di taglio) di Ø60 mm per una lunghezza di 75 mm; - 4 bronzine autolubrificanti; - 7 piastre di ferro piatto C35 avz con funzione di supporto per le pulegge; - 6 viti filettate M8; - 4 tubi di ferro C35 avz di Ø20 mm della lunghezza di 1 m cad.; - 1 pezzo di ferro tondo di Ø10 mm della lunghezza di 130 mm; - 8 distanziatori in nylon; - 1 corda di Ø8 mm e lunghezza 2 m; - 4 barre di ferro C35 avz con funzione di rinforzo; - 4 tappi o punti d appoggio della struttura; - 1 peso per far funzionare il sistema; - Vernice anticorrosione e colore. Classi 4^A ITIS Pagina 10 di 15
Figura 1- componenti principali Figura 2 - struttura di sostegno Classi 4^A ITIS Pagina 11 di 15
MACCHINE E STRUMENTI UTILIZZATI: - Tornio parallelo; - Fresa; - Trapano a colonna; - Saldatrice a filo (MIG); - Mola a disco e smerigliatrice; - Levigatrice. Figura 3 lavorazione al tornio parallelo (realizzazione pulegge) b) CONCRETIZZAZIONE DEL PROGETTO Dopo aver realizzato il progetto esecutivo, siamo andati in officina a realizzarlo; questa macchina è composta da vari pezzi: pulegge, albero con funzione di perno, bronzine auto lubrificanti, rivestimenti per le pulegge (gancio, ferri piatti, ecc.) e il sostegno generale. LE PULEGGE: Abbiamo iniziato con il fare le pulegge. Sono stati tagliati 2 cilindri di ferro C35 avz di Ø60 mm per una lunghezza di 75 mm. Li abbiamo lavorati al tornio seguendo la procedura del foglio di lavoro. Abbiamo sfacciato, sgrossato e finito il cilindro fino ad arrivare ad un Ø58 mm. Sono state eseguite le gole e le lavorazioni coniche per realizzare la sede della corda. Il pezzo ottenuto è stato forato e lavorato internamente per ottenere le sedi delle bronzine con una tolleranza H7. Successivamente i pezzi sono stati tagliati con il troncatore e si sono ottenute 6 pulegge. GLI ALBERI E LE BRONZINE: Abbiamo realizzato 2 alberi mediante 2 cilindri di ferro c35 avz di Ø20 per una lunghezza di 70 mm. Gli alberi sono stati sfacciati, sgrossati e finiti ad un Ø16 h6 mm. Poi sono stati forati e filettati Classi 4^A ITIS Pagina 12 di 15
internamente (filettatura M8) alle estremità per poter fissarli con delle viti al rivestimento esterno. Fatto questo, abbiamo inserito le bronzine nei fori delle pulegge con un martello. Dato che abbiamo lavorato il foro con una tolleranza H7 abbiamo ottenuto un accoppiamento con interferenza. Viceversa, tra la bronzina e l albero c è gioco in maniera tale che l albero possa ruotare liberamente. Sono stati realizzati anche i distanziatori in nylon al tornio. Abbiamo fatto 8 anelli di spessore pari a 3 mm, diametro interno Ø23 mm e diametro esterno Ø40 mm. I SOSTEGNI ED IL MONTAGGIO: La fase successiva del lavoro consisteva nel tagliare e saldare assieme dei pezzi di ferro piatto che servivano come rivestimento per le pulegge. Alcuni pezzi sono stati lavorati con la fresa mentre altri sono stati forati con il trapano a colonna al fine di creare i fori per le viti M8. È stato costruito il gancio per sollevare i pesi con un pezzo di ferro tondo ed è stato lavorato per deformazione plastica. Abbiamo tagliato 4 tubi di ferro c35 di Ø20 mm per una lunghezza di 1 m per creare il sostegno. Tutti i pezzi sono stati assemblati, saldati e verniciati con della vernice apposita per evitare la formazione di ossido sui pezzi finiti. Infine, per far funzionare il meccanismo, è stata inserita una corda di Ø8 mm tra le pulegge. Figura 4- Prodotto assemblato finito Classi 4^A ITIS Pagina 13 di 15
4. PROVE E MISURE: La fase finale è stata quella di verificare il funzionamento della macchina realizzata attraverso alcune prove di misura con pezzo di massa 18 kg equivalenti a circa 180 N. La forza motrice da applicare era di 1/6 il peso, quindi di 30 N, circa 3 kg. Di conseguenza, quando si tira la corda, le pulegge mobili si alzano di 1/6 rispetto alla lunghezza della corda tirata. Per esempio, se tiriamo la corda di 3 m, le pulegge si alza di 0,5 m rispetto alla posizione originale. Dopo questi aspetti teorici siamo passati alla pratica. Prova n. 1 2 3 Tipologia massa da sollevare Barra quadra Fe360 Dim. 60 x 60 x 655 mm Barra tonda Fe360 Dim. Ø60 x 1100 mm Barra quadra Fe360 Dim. 60 x 60 x 655 mm +barra tonda Dim. Ø60 x 1100 mm Peso da sollevare [N] Forza applicata [N] Rapporto allungamento corda [ - ] 182 30,42 1/6,05 239,9 40,1 1/6,06 423 70,8 1/6,08 Dai risultati ottenuti sembra che il nostro paranco funzioni con una tolleranza abbastanza limitata, che si aggira intorno al 2% dovuto comunque agli attriti ed all effetto di allungamento della corda utilizzata. 5. PROBLEMI INCONTRATI E SOLUZIONI ADOTTATE: Durante la fase di progettazione il nostro gruppo di lavoro aveva pensato di realizzare un paranco con 5 pulegge mobili e 5 fisse. Questo sistema non era ottimizzato dal punto di vista pratico, in quanto con troppe pulegge si sarebbe compromesso il funzionamento del paranco. La corda rischiava di incastrarsi, le pulegge si sarebbero sbilanciate e di conseguenza la struttura di sostegno non sarebbe stata adatta. Per questi motivi abbiamo realizzato un paranco con 3 pulegge in maniera tale da soddisfare le esigenze funzionali, e quelle relative ai costi e al tempo di produzione. Un alto problema incontrato è quello di realizzare i pezzi seguendo determinate tolleranze dimensionali. Queste tolleranze richiedevano la precisione del centesimo di millimetro (1/100 = 0,01 mm). Purtroppo i nostri torni arrivano ad una precisione massima del ventesimo di millimetro (1/20 = 0,05 mm). Quindi nell eseguire le misure e le lavorazioni era necessaria l abilità e la precisione dell operatore. Abbiamo trovato alcune soluzioni pratiche per risolvere questo problema. Per prima cosa bisogna avere una mano molto sensibile nel girare il tamburo graduato del tornio, altrimenti se si gira troppo, non si può più tornare alla misura iniziale e perciò si commette un errore anche di qualche centesimo di millimetro. Questo vuol dire che oltre ad essere compromessa la misura risulta meno efficace il funzionamento del sistema. Come secondo aspetto, nei casi in cui non era possibile togliere un centesimo dalla misura, si utilizzava una lima extra dolce in maniera tale da non togliere troppo materiale e rimanere comunque all interno del campo di tolleranza. Un ulteriore difficoltà è stata quella di piegare le piastre di ferro piatto e il gancio, in quanto non avevamo a disposizione la pressa piegatrice. Per piegarle, infatti, abbiamo usato un martello e alcuni pezzi per dare la forma voluta. Anche in questo caso oltre, che all abilità dell operatore, erano necessari sia la capacità nel lavorare il ferro e sia l esperienza di lavoro. Classi 4^A ITIS Pagina 14 di 15
6. INFORMAZIONI SULL UTILIZZO: Il paranco da noi realizzato risulta una macchina robusta e ben costruita, quindi non ha problemi di urti accidentali o cadute. Nonostante questo però deve essere utilizzato con cautela perché se usato male può crearsi un leggero fuori asse tra l albero e le bronzine e quindi può compromettere il corretto funzionamento del sistema. È necessario togliere lo sporco dalle parti rotanti a contatto (polvere, trucioli di ferro, ecc), oliare periodicamente i vari componenti e supporti (albero, bronzina, carrucole) in maniera tale che possano ruotare senza alcun impedimento l uno sull altro. Controllare la qualità, la sicurezza, e la tipologia della corda, perché se si solevano carichi troppo pesanti questa può spezzarsi. Sostituirla qualvolta sia necessario. Verificare inoltre l integrità dei vari pezzi e dei componenti (dadi, rondelle, sostegni, ecc.) 7. CONCLUSIONI E RISULTATI FINALI: L esperienza di questo progetto è stata positiva in quanto abbiamo imparato a progettare, realizzare e presentare il prodotto finito. Il progetto non è stato facile perché dovevamo valutare vari presupposti: tempo, costi, materiali e funzionalità. La fase di progettazione e durata alcuni giorni in quanto complessa e impegnativa. La realizzazione pratica in officina è stata più coinvolgente ed interessante perché man mano che si lavorava si vedevano ogni giorno dei piccoli risultati concreti. Tutto il gruppo di lavoro è stato impegnato nelle varie attività e siamo rimasti soddisfatti dei risultati ottenuti anche grazie alle prove che i nostri obbiettivi sono stati pienamente raggiunti. I calcoli di dimensionamento che abbiamo fatto all inizio del progetto sono stati sperimentati e valutati praticamente. In questa attività siamo riusciti a progettare, costruire e presentare il nostro progetto. Speriamo di poter partecipare ancora a progetti simili riguardanti il campo scientificomeccanico. 8. RINGRAZIAMENTI: Rivolgiamo un ringraziamento ai professori, ai tecnici e a tutto il personale scolastico che ci ha sostenuto e ha collaborato nel progetto. Ringraziamo inoltre anche tutta la scuola per averci messo a disposizione il tempo, le attrezzature e i materiali provveduteci ai fini di questo progetto. 9. BIBLIOGRAFIA: L. Caligaris, S. Fava, C. Tomasello Manuale di meccanica - HOEPLI C. Pidatella, M. Poggi Corso di meccanica razionale Zanichelli Classi 4^A ITIS Pagina 15 di 15