Details

Introduzione
In un moderno motore aeronautico, l’albero di bassa pressione (LP) è uno dei componenti più sollecitati e meno tolleranti dell’intera macchina. Deve trasmettere enormi quantità di coppia, sopportare rapidi transitori e resistere a milioni di cicli di carico a temperature elevate—spesso per migliaia di ore—senza che una singola cricca si propaghi fino alla rottura. Se questo albero dovesse cedere in servizio, non si tratterebbe di un semplice inconveniente, ma di un grave evento di sicurezza e della messa a terra di un’intera flotta.

La Macchina di Prova a Fatica per Torsione dell’Albero LP è progettata specificamente per prevenire questo scenario. Si tratta di un banco di prova di resistenza a scala reale che torce, tira e riscalda l’albero LP in un modo che riproduce fedelmente la realtà del motore, ma in condizioni di laboratorio controllate. Combinando carichi torsionali, trazione assiale e un pronunciato gradiente termico, il banco espone l’albero a un ambiente più severo rispetto a quello di esercizio, facendo emergere le debolezze sul banco prova—e non in volo.

Invece di affidarsi esclusivamente a calcoli e a prove su piccoli provini, questa macchina consente agli ingegneri di eseguire programmi di fatica di lunga durata e ad alta frequenza sulla geometria reale dell’albero. Ogni ciclo di coppia, ogni grado di torsione e ogni grado di temperatura vengono misurati, registrati e resi tracciabili, così che le modifiche di progetto e le scelte dei materiali possano essere supportate da dati reali e concreti.

Principali capacità funzionali
Carico combinato su albero LP a lunghezza completa
  • Carico torsionale programmabile da zero fino alla coppia principale richiesta, con un ciclo minore sovrapposto.
  • Carico assiale a diversi livelli di forza discreti, fino al carico assiale massimo specificato.

Simulazione del gradiente termico
  • Gradiente di temperatura controllato lungo l’albero, tipicamente da circa 100 °C a 350 °C, mantenuto per l’intera durata della prova.

Funzionamento in fatica ad alto numero di cicli
  • Applicazione di cicli di coppia minori nella gamma ad alta frequenza (classe 10 Hz), con ogni ciclo principale composto da molti cicli minori e prove complessive che si estendono a conteggi totali di cicli molto elevati.

Monitoraggio e controllo in tempo reale
  • Misurazione continua di coppia, forza assiale, angolo di torsione, spostamento, temperatura, pressione, vibrazioni e conteggio dei cicli, con controllo ad anello chiuso delle
valvole servo e dei riscaldatori.

Architettura del sistema – Panoramica
La macchina è costruita attorno a quattro sottosistemi principali:
Banco di prova meccanico
  • Telaio di base pesante in acciaio dolce (MS) con supporti di cuscinetti integrati e braccio di torsione.
  • Supporti dei cuscinetti regolabili per adattarsi a una gamma di lunghezze dell’albero LP e posizioni dei cuscinetti.
  • Carenatura isolata a lunghezza completa che racchiude l’albero e i riscaldatori, con porte di accesso per il montaggio e l’ispezione.

Attuazione idraulica
  • Gruppo di potenza idraulica con serbatoio in acciaio inox e motore elettrico che aziona una pompa a doppia paletta, fornendo circuiti ad alta e bassa pressione per
l’attuazione dinamica e le funzioni ausiliarie.
  • Un cilindro di torsione accoppiato all’albero tramite un braccio di torsione, più due cilindri assiali che forniscono il carico di trazione da entrambe le estremità.
  • Valvola servo digitale per il controllo torsionale e valvole direzionali/proporzionali per i circuiti assiali, con filtrazione e raffreddamento dimensionati per prove di resistenza di lunga durata.

Sistema di simulazione termica
  • Più riscaldatori a fascia disposti in zone lungo l’albero per generare e mantenere il gradiente target.
  • Schermi isolanti e copertura esterna per ridurre al minimo le perdite di calore e proteggere la struttura circostante.

Controllo, SCADA e acquisizione dati
  • PLC industriale con quadro di comando dedicato e console operatore da 27".
  • PC SCADA che registra tutti i canali a intervalli di campionamento rapidi, con connettività Ethernet per il monitoraggio remoto sulla rete locale.

Specifiche tecniche

  

    
Categoria
    
Parametro
    
Valore / capacità tipica
  

  

    
Unità in prova
    
Tipo di albero
    
Gruppo albero di motore aeronautico a bassa pressione
  

  

    

    
Lunghezza totale dell’albero
    
Circa 1,6–2,0 m (posizioni dei supporti regolabili)
  

  

    
Carichi meccanici
    
Intervallo di coppia principale
    
Programmabile nell’intervallo di più kNm per prove a scala reale
  

  

    

    
Capacità massima di coppia
    
Dimensionata al di sopra della coppia di prova richiesta per resistenza ad alto numero di cicli
  

  

    

    
Livelli di carico assiale
    
Più livelli di carico a trazione, fino a diverse decine di kN
  

  

    

    
Frequenza dei cicli minori
    
Cicli minori ad alta frequenza (~10 Hz)
  

  

    
Condizioni termiche
    
Gradiente di temperatura
    
Circa 100–350 °C lungo la lunghezza dell’albero (controllo a zone)
  

  

    

    
Configurazione del riscaldamento
    
Più riscaldatori a fascia (diversi kW) con controllo indipendente per zona
  

  

    
Gruppo di potenza idraulico
    
Volume del serbatoio
    
~250 L (costruzione in acciaio inox con deflettori)
  

  

    

    
Potenza del motore
    
~7,5 kW, azionamento di un gruppo pompa a doppia paletta
  

  

    

    
Pompa 1 (alta pressione)
    
Sezione ad alta pressione ~200 bar
  

  

    

    
Pompa 2 (bassa pressione)
    
Sezione a bassa pressione per circuiti ausiliari/di reintegro
  

  

    

    
Filtrazione
    
Filtrazione multistadio in pressione e ritorno
  

  

    

    
Raffreddamento
    
Scambiatore di calore olio-acqua
  

  

    
Attuatori idraulici
    
Cilindro di torsione
    
Cilindro a doppio effetto che eroga la coppia tramite un braccio di torsione
  

  

    

    
Cilindri assiali
    
Due cilindri a doppio effetto che applicano la trazione assiale da entrambe le estremità
  

  

    
Servo e valvole
    
Servovalvola
    
Servovalvola proporzionale digitale con comando ±10 V
  

  

    

    
Valvole di controllo pressione
    
Valvole proporzionali di scarico e controllo pressione
  

  

    
Strumentazione
    
Sensore di coppia
    
Trasduttore di coppia di reazione ad alta precisione
  

  

    

    
Cella di carico assiale
    
Cella di trazione/compressione, posizionata al di fuori della zona calda
  

  

    

    
Misura della temperatura
    
Più termocoppie/RTD lungo l’albero e la struttura
  

  

    

    
Pressione e vibrazioni
    
Trasmettitori di pressione e accelerometri
  

  

    
Controllo e acquisizione dati
    
Sistema PLC
    
PLC industriale con interblocchi completi e controllo ad anello chiuso
  

  

    

    
Console operatore
    
Console da 27″ con segnalatori, interruttori, USB ed Ethernet
  

  

    

    
Velocità di registrazione dati
    
Campionamento rapido (decine di millisecondi)
  

  

    
Ingombro complessivo del banco
    
Lunghezza approssimativa del banco
    
~4,0–4,2 m complessivi (con carenatura e telaio)
  

  

    

    
Altezza / larghezza
    
~1,5–1,7 m di altezza, ~1,0 m di larghezza
  



Flusso operativo – In sintesi
1. Montaggio e allineamento dell’albero
  • Installare l’albero LP utilizzando adattatori dedicati a entrambe le estremità.
  • Regolare i supporti dei cuscinetti lungo il telaio di base per adattarli alla geometria dell’albero e bloccarli in posizione.

2. Controlli di sistema
  • Riempire e disaerare il circuito idraulico, verificare il livello del serbatoio, i filtri e l’acqua di raffreddamento.
  • Verificare il funzionamento dei riscaldatori, delle termocoppie, dei trasmettitori di pressione, del sensore di coppia, delle celle di carico e dei canali di vibrazione.

3. Configurazione del profilo
  • Definire la coppia principale, l’ampiezza dei cicli minori, il livello di carico assiale, la frequenza di prova, il numero di cicli e i set-point di temperatura tramite l’interfaccia SCADA.
  • Impostare le soglie di arresto per coppia massima, forza, temperatura e vibrazioni.

4. Esecuzione della prova
  • Riscaldare l’albero fino alla distribuzione di temperatura richiesta e stabilizzare il gradiente.
  • Applicare il carico assiale e quindi aumentare gradualmente la coppia principale.
  • Sovrapporre cicli di coppia minori alla frequenza definita per ciascun ciclo principale.

5. Monitoraggio e registrazione
  • Osservare in tempo reale i grafici di coppia, torsione, forza, spostamento, temperatura e vibrazioni sulla console da 27".
  • Tutti i canali vengono registrati in modo continuo per l’intera durata della prova per il post-processing e la valutazione della vita a fatica.

6. Arresto e ispezione
  • Al termine di ogni blocco di cicli, il banco scarica e si raffredda in modo controllato.
  • L’albero può essere ispezionato per individuare l’innesco e la propagazione delle cricche prima del successivo incremento di prova.

Punti chiave di sicurezza e protezione
Interblocchi di sicurezza multilivello
  • Pulsanti di arresto di emergenza sulla console e in prossimità del banco.
  • Protezioni attorno alle parti rotanti e calde, con interblocchi ove richiesto.

Protezione idraulica ed elettrica
  • Protezione da sovrapressione con valvole di scarico e valvole proporzionali di scarico della pressione.
  • Protezioni standard di motore e alimentazione: sovracorrente, cortocircuito, mancanza di fase, relè di sovraccarico.

Logica di arresto basata sulle condizioni
  • Arresto automatico della prova in caso di superamento di coppia, forza, temperatura o vibrazioni eccessive, con eventi registrati nello SCADA per la tracciabilità.

Configurazione servo fail-safe
  • La servovalvola e i circuiti idraulici sono progettati