Progettazione di una piattaforma aerea elevatrice verticale telescopica

Salve a tutti, sono nuovo del forum e anche se sono ancora studente della magistrale di Ingegneria Meccanica ho preferito postare in questa sezione visto che la mia (o meglio le mie) domande riguardano un progetto didattico assegnatoci per un esame ma che è a tutti gli effetti un progetto completo. Come da titolo dobbiamo progettare in gruppo (ma noi siamo solo 2 di cui io dell'indirizzo "progettazione", l'altra persona è "energetica") una piattaforma elevatrice telescopica verticale come la seguente:

Vi linko anche il sito di questa macchina per mostrarvi le specifiche tecniche: https://www.topcarsrl.com/dettaglio-prodotto.php?id=14

Il primo problema è che il professore ci ha detto di fare noi le specifiche tecniche tuttavia imponendoci dei paletti alquanto improbabili: la macchina deve essere per interni (come quella in figura), da chiusa poter passare nelle porte dei magazzini industriali (quindi max 2m di altezza) ma da estesa arrivare ad ALMENO (sottolineo!) 10 metri di altezza di lavoro contro i 3,5 di questa! Già questo pone un evidente problema di realizzabilità e volevo sapere se secondo voi è tecnicamente fattibile.
La progettazione dev'essere completa, nel senso cinematica strutturale, disegni cad di ogni particolare e analisi fem delle singole parti e del complesso con particolare enfasi sulla colonna estensibile. In più quasi dimenticavo analisi anche dinamica (esempio problema del ribaltamento ecc.). Ora avendo io conoscenze nozionistiche dalla triennale (come credo accada un pò in tutta Italia) sia di scienza delle costruzioni che di meccanica applicata che di costruzione di macchine, non sono in grado per esempio di "vedere la macchina come una trave" con vincoli, carichi, prevedere a occhio come si scambiano le forze (per esempio per disporre dei pattini fra gli sfili), quindi non so praticamente da dove cominciare. Penso che si debba partire da uno schema del sollevamento rudimentale (ci dev'essere un pistone idraulico in basso che spinge il secndo sfilo e poi gli altri dovrebbero sfilare a seguire mediante un sistema di carrucole e già prevederne il posizionamento ALL'INTERNO DEGLI SFILI O TRA DI ESSI mi sembra una problematica non di poco conto a livello di ingombri...)
Insomma la situazione è abbastanza incasinata! Probabilmente la colpa è anche mia che non ho studiato bene le materie base (la mia priorità è stata quella di laurearmi subito alla triennale) ma la didattica molto antiquata di certo non aiuta... In più sto imparando i software cad e fem (ansys) praticamente da solo visto che l'esame ne prevede l'utilizzo anche spinto ma non ci sono corsi dedicati tranne forse quello di disegno assistito (dove però l'enfasi è sulla teoria matematica come al solito...)

Se qualcuno è in grado di aiutarmi anche con qualche spunto lo ringrazio in anticipo e magari dopo gli faccio anche un piccolo monumento! Grazie!

P.S: Un dettaglio che ho dimenticato è che gli sfili possono essere come in figura dal piu piccolo in basso al più grande in alto o viceversa dal più grande in basso al più piccolo in alto: il professore ci ha lasciato libera scelta ma ha detto che in caso lo facciamo col più piccolo in basso vuole una giustificazione alla scelta e non gli è andato bene sentirsi dire: "abbiamo visto che generalmente sono fatte così! " ma abbiamo anche provato senza successo a pensare fosse dovuto a eventuali vantaggi per il sistema idraulico...




P.P:S: l'esame non l'ho scritto ma è "Costruzione di macchine diciamo 2" visto che alla triennale c'era "Elementi costruttivi"

Vedo che ogni volta questi professori si inventano delle belle cose. Ma sono liberi professionisti o insegnano e basta? Comunque immagino che nei tubi cavi ci sia un cilindro multistadio e sinceramente arrivare a quelle lunghezze e mantenere la forza é utopia a patto che tutto chiuso sia abbastanza alto. Con scienza delle costruzioni dovrebbe bastarti tutto, carico di punta. I piattoni di bronzo prendono il carico laterale e son vincoli a manicotto. Il primo in basso e l'ultimo sotto la piattaforma aerea sono incastri. Alla fine é più tanta bella teoria e la pratica e il dimensionamento son un poco doversi. Il cilindro multistadio sarà incernierato in basso e in alto per non caricare le guarnizioni degli stadi. Secondo me é così...poi magari guardando il progetto costruito ci possono essere soluzioni diverse.

É indispensabile fare uno schema per prima cosa grossolano per poi affinarlo. Per i 10 metro vuol dire che saranno circa 5 sfili da 2 metri visto che deve essere così come altezza ma ci sarà una parte sempre in guida negli sfili. Per il discorso ribaltamento devi metterci su l'omino e vedere il baricentro quando tutto il sollevatore é sfilato e curvato più spostamento dei giochi dei lardoni. Se il baricentro sta nella base, non si ribalta.

Ciao e grazie delle risposte! Il Prof ha anche una società di ingegneria meccanica come avevi intuito!
Per la questione cilindro multistadio glielo abbiamo proposto ma lo ha escluso se ricordo bene proprio per il motivo che ipotizzavi tu di mantenimento della forza! C'è un sistema ibrido costituito da un normale cilindro alla base che muove il secondo sfilo (dal basso); poi gli altri sfilano grazie a un sistema di carrucole e funi (non so come meglio definirlo!).Grazie per il suggerimento sui vincoli! Per quanto riguarda la questione sfilo più largo in basso o in alto hai qualche idea?

Su un sito ho trovato questo progettino che dovrebbe rendere l'idea di come sia il sistema senza l'utilizzo di un cilindro multistadio, ma purtroppo non ci sono informazioni dettagliate sul funzionamento delle carrucole e funi, infatti non ne capisco alcune...

É un sistema a pulegge per comandare ogni ramo. É quello che si fa per far uscire i multistadi anche con i comandi a catena. Praticamente avete 2 m scarsi per alloggiate il cilindro chiuso e uscendo farà poco meno di 2m idraulicamente e poi amplificherà su 5 rami esternsibili i 2 metri di ogni stadio.....mah....mi pare tanto una fetecchia. Comunque secondo me lo si fa anche con i cilindri multistadio, tanto da sollevare ci sono pochi kg e comunque sono 5 diametri di tubo a scalare. Il più piccolo definisce la forza del cilindro. Per il discorso che gli sfili sono dal più piccolo al più grande a salire, sinceramente non ci trovo niente di intelligente cisto che dovremmo imparare dalla natura....i tronchi son grossi in base e stretti sopra. Visto che deve reagire a flessione sarebbe meglio grosso in basso. Però forse il cesto sopra é un po' grande e per tenerlo meglio rigido e per poter reagire sia al peso uomo che al peso carico si preferisce avere una larghezza maggiore per reagire meglio.

Ciao, Grazie ancora per le risposte! Tralasciando il sistema di sollevamento in se, per quanto riguarda la parte strutturale ho provato a buttare giù qualcosa di molto preliminare:
Questo dovrebbe essere lo schema statico con i vincoli "a manicotto" che mi dicevi (che conoscevo per nome ma non abbiamo mai applicato a scienza delle costruzioni...) Quello in alto è probabilmente un abominio che stavo pensando prima con i pattini come vincoli ma non c'entra niente... Uno dei miei dubbi è visto che voglio studiare il braccio ho piazzato sotto un incastro visto che per ora la base non mi interessa... lo stesso vale per il cestello superiore, ma essendo che i carichi entrano da li dovrei trovare un modo per ottenre le forze (e i momenti) che entrano sul braccio che li ho messo per semplicità come sole 2... ecco già qui ho un dubbio: a parte che ce ne sono di più in realtà (peso operatore, attrezzi, varie spinte sulla ringhiera che sono normate come punto di applicazione ecc) è corretto riportarle qui in qualche modo o è meglio considerare il cestello come un pezzo della trave (come nella foto dopo):

Probabilmente è la stessa cosa anche perché l'approssimazione e le semplificazioni che sto facendo in due dimensioni (anzi quasi 1) sono enormi, ma forse c'è un modo ottimale di procedere?

Se il carico su al cestello é decentrato te lo ritrovi cone hai indicato tu: Una forza moltiplicata un braccio di eccentricità. Questo carico si trasferisce al primo sfilo. Non confondere i vincoli interni con quelli esterni. Le ruote a terra saranno una cerniera e un pattino fissati a terra. I manicotti li hai come vincolo interno al sistema e il cilindro idraulico é una forza interna che mantiene fissa la quota di alzata e scarica azione e reazione.

meccanicamg ha detto:

. I manicotti li hai come vincolo interno al sistema e il cilindro idraulico é una forza interna che mantiene fissa la quota di alzata e scarica azione e reazione.

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Ciao, non ho capito bene questa frase: come li ho disegnati nella prima foto li intendo interni i manicotti, fra uno sfilo e l'altro! Volevo sapere se era giusto considerare il braccio così ma penso di sì.

Per il cilindro idraulico non ho capito in che senso è una forza interna... E in ogni caso va considerata fra i carichi dello schema statico? Io pensavo di no...

P.S: (In relazione al non confondere vincoli esterni e interni) Alla base ho messo un incastro come se fosse un vincolo esterno perché voglio escludere la base per il momento, so che in realtà non c'è un vincolo esterno!

Grazie ancora di tutto!

i tubi degli sfili sono delle matrioske a misura decrescente e i bronzi con vincolo di manicotto reagiscono con forza orizzontale e momento. Però per considerare che tutto il sistema sfilo sia una lunga trave di 10m occorre una forza interna che è la forza del pistone che applica forza e reazione sul totale, impedendo che gli sfili diventino una struttura labile....nella quale con calcoli più niente. Poi quando hai determinato le reazioni a terra spezzi la trave in elementi veri e vai a studiare quanto valgono le reazioni ai bronzi (manicotti).

meccanicamg ha detto:

i tubi degli sfili sono delle matrioske a misura decrescente e i bronzi con vincolo di manicotto reagiscono con forza orizzontale e momento. Però per considerare che tutto il sistema sfilo sia una lunga trave di 10m occorre una forza interna che è la forza del pistone che applica forza e reazione sul totale, impedendo che gli sfili diventino una struttura labile....nella quale con calcoli più niente. Poi quando hai determinato le reazioni a terra spezzi la trave in elementi veri e vai a studiare quanto valgono le reazioni ai bronzi (manicotti).

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Ok, sì perfetto, in effetti stavo riprendendo a ragionarci oggi e mi sono accorto che la struttura sarebbe stata labile! Ma quindi sarebbe la stessa cosa considerare nella posizione estesa i vincoli tra i tubi come "incastri interni" (quindi banalmente corpo unico a sezione diversa)? O conviene considerarli manicotti e aggiungere la forza verticale verso l'altro del cilindro? Probabilmente avendo l'ausilio del fem conviene essere comunque più vicini alla realtà possibile e quindi mettere i manicotti e la forza...

Con il fem devi fare per forza vincolo manicotto perché devi studiare l'assieme. Nel calcolo semplificato potrebbe essere un incastro ma a questo punto la trave unica a sezione variabile potrebbe essere studiata, almeno in prima approssimazione pari alla sezione più debole per tutto il tubo.

meccanicamg ha detto:

Con il fem devi fare per forza vincolo manicotto perché devi studiare l'assieme. Nel calcolo semplificato potrebbe essere un incastro ma a questo punto la trave unica a sezione variabile potrebbe essere studiata, almeno in prima approssimazione pari alla sezione più debole per tutto il tubo.

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Ok, grazie mille per i vari spunti, credo che mi saranno parecchio utili! Poi magari andando avanti dopo che avremo fatto le prime simulazioni aggiorno il topic e magari discutiamo la correttezza dei vari modelli e delle varie assunzioni.

Giusto per buttarla lì....perchè il tubo più piccolo è in basso e il tubo più grosso in alto?
La risposta è la medesima anche per le molle a bovolo che proteggono le viti di manovra.

La riposta è molto semplice. A seconda dell'applicazione, soprattutto per uso verticale, si monta in un modo oppure nel modo opposto a seconda della prevalenza del deposito di sporcizia per gravità o per proiezione di particelle.
Nel vostro caso lo sporco cade dal cielo e va verso terra. Se il più grosso dei tubi fosse in basso creerebbe una serie di gradini che offrono superficie utile a far entrare lo sporco nel lardone che guida il tubo.

Altra cosa, prima di realizzare la struttura vera e propria, vi conviene realizzare un piccolo FEM e due calcoli per verificare il comportamento della trave in entrambi i sensi.
Per esempio ho fatto una trave quadrata piena a due sezioni come questa:

Ho fatto l'analisi applicando dei carichi a caso plausibili nella condizione di sezione maggiore incastrata verso il basso e forza applicata in cima:
E ho fatto l'analisi anche per la trave ribaltata, cioè con la sezione piccola in basso incastrata e le forze messe in cima:

Come potete vedere, la soluzione meccanica di sforzo migliore è la prima, però tenendo conto del discorso pulizia è da privilegiare la seconda. Quindi fatevi le vostre valutazioni e prendete la strada motivando le scelte e cosa volete mettere in risalto in tutto ciò. Tenete presente che si possono mettere dei raschiatori che però hanno un costo e una usura, tenete presente che tutto sommato il ferro non costa così tanto ed è duraturo....insomma fatevi una lista di pro e contro e fate la scelta anche in base alla stima dei costi che ritenete di confrontare per le due soluzioni.

Se volete valutare i cilindri muli stadio c'è una bellissima discussione qui

La curvatura della struttura assomiglierà molto a questa:

Ciao! Grazie mille per l'interessamento, davvero! Valuteremo col prof quale delle due soluzioni scegliere portando a motivazione le varie cose che mi hai suggerito! Già che ci siamo visto che riconosco il workbench di ansys: per il fem finale (quello con la geometria disegnata al cad, elementi 3d tetraedrici di mesh ecc) ho intenzione di usare il workbench visto che il mechanical (quello vecchio a sfondo nero) da problemi nell'importare geometrie complesse... Per i modellini con beam/plate 1D/2D preliminari mi consigli di utilizzare sempre il workbench o magari potrei usare il mechanical? Io andrei di workbench ma il prof è particolarmente affezionato al mechanical e magari preferisce vedere che sappiamo utilizzarli entrambi... In entrambi i programmi comunque i famosi vincoli a manicotto come si realizzano? (Utilizzando beam per la trave)

A dire il vero ho usato Freecad 0,18 con il Workbench FEM che usa Calculix che é un codice basato su Abacus. Nel mio caso non ho fatto una analisi di assieme ma di parte unica. Ansys son troppi anni che non lo uso più e non saprei come aiutarti. Sicuramente andrai a mettere dei vincoli di reazione planare.