Analisi elementi finiti compressore volumetrico alternativo

Strego

Utente poco attivo
Professione: Studente ingegneria SolidWorks 2016
Software: SolidWorks 2016, Ansys 18.2, Femap 11.2, AutoCAD 2012, SolidEdge 10
Regione: FG
Buonasera a tutti.
Ho creato un modello 3D di un compressore volumetrico alternativo. Ora devo procedere con una analisi strutturale. In particolare del case.
Ho ipotizzato 8 bar come Pmax. La temperatura max (da inserire come carico termico) è circa 550 K. Il volume spazzato è 1.64e-4 m3, la corsa 42mm. Come rpm ho ipotizzato 3000.
Nel case avrò i seguenti carichi: 1)Supporti: Forza peso di tutte le parti + Forza derivante dalla pressione 2)Forza peso di tutto tranne che case + pressione 3)Forze di serraggio sulle facce laterali e superiore

La forza derivante dalla pressione l'ho calcolata ed è pari a 3079N. Per le forze di serraggio non so come calcolarle.

Sapete dirmi se i valori finora calcolati sono verosimili e come regolarmi per i serraggi? GrazieQuarter section.JPG
 

paulpaul

Utente Standard
Professione: Macchinista
Software: Solid Edge, Autocad, Matlab
Regione: Parma
Ciao
In un compressore, ma anche nella maggior parte delle macchine, la forza peso in genere non viene mai considerata, perché trascurabile rispetto alle altre forze.

Il primo caposaldo da tenere in considerazione per il dimensionamento strutturale di un compressore è la "forza gas", data dal prodotto della pressione in camera per l'area del pistone. Nel tuo caso, dato che la macchina è a semplice effetto, la pressione è massima al PMS e pari alla pressione di mandata (più le perdite di carico alle valvole), e minima al PMI, dove è pari alla pressione di aspirazione (meno le perdite di carico alle valvole). Ovviamente la pressione varia con l'angolo di rotazione dell'albero, ma i massimi e i minimi in genere li hai nei punti che ti ho detto. La spinta gas "si chiude" nella macchina, in quanto grava da un lato sui supporti di banco, dall'altro sulla testa del cilindro: il tuo basamento quindi è "allungato" sotto l'effetto della forza gas, affaticante: questa forza determina il carico (affaticante) ad esempio sui tiranti della testa del cilindro, da cui scaturisce il valore del precarico e quindi della coppia di serraggio minima di questi. Scomponendo le forze sul manovellismo, potrai poi ricavare le "azioni gas" su tutti gli altri componenti. Ti renderai conto anche che - a causa dell'inclinazione della biella - avrai anche una spinta gas agente perpendicolarmente alla camicia in corrispondenza del mantello del pistone, che fa coppia con una forza uguale e contraria applicata ai supporti banco: questa coppia (coppia di reazione) tenderebbe a far ruotare il basamento, ed è contrastata dai supporti di questo (ed ecco quindi da "dove devi prendere" le informazioni necessarie per dimensionare i tirafondi del basamento).

Il secondo caposaldo sono le forze inerziali: sugli organi del manovellismo agiscono anche le azioni inerziali (ti rimando ad un qualunque libro di meccanica applicata o ai manuali per determinarle). Quelle alterne (pistone, spinotto, parte della biella) variano in funzione dell'angolo di rotazione, e si sommano algebricamente alle forze gas, talvolta diminuendole (es. al PMS e al PMI - solo per le macchine a doppio effetto), talvolta aumentandole (es. al PMI in una macchina a semplice effetto): anche queste - a causa dell'inclinazione della biella - ti danno una coppia di reazione sul basamento che va quindi contrastata, ma - al contrario delle gas - non si "chiudono nella macchina", e vengono portate all'esterno attraverso i supporti di banco (e la già citata coppia di reazione), e sono responsabili delle vibrazioni trasmesse a terra.
Quelle rotanti (albero e parte della biella) dovrebbero invece essere bilanciate coi contrappesi, e non ti generano forze sui supporti. Col monocilindro poi non hai coppie di inerzia di cui preoccuparti, sempre che tu abbia l'albero simmetrico.
Anche le forze inerziali sono massime (o minime) ai punti morti, quindi a questo punto puoi facilmente ricavarti la forza risultante: attenzione che se la macchina funziona a velocità variabile (sotto inverter), devi considerare la condizione peggiore per quanto riguarda la forza risultante.

Per i serraggi ti calcoli per prima cosa i carichi agenti: come regola generale, considero di moltiplicarli per 2,5 se il carico è affaticante, e considero questo risultato come il valore complessivo del precarico da affidare all'accoppiamento: conoscendo poi i precarichi massimi sostenibili da viti di una determinata classe (corrispondenti ad esempio ad uno snervamento del 90% del tirante: puoi trovare diverse tabelle ad esempio sul Niemann o sullo Shigley ma anche in altri manuali) trovi una combinazione di diametro tirante/numero tiranti che soddisfi la prima condizione, e trovi quindi il precarico per singolo tirante. La coppia di serraggio M (che nella tua analisi non ti dovrebbe servire) si può poi calcolare approssimativamente con M = 0,18Vd, dove V è il precarico e d il diametro nominale della filettatura. Questo per un primo dimensionamento: ovviamente andrebbe poi fatta la verifica accurata dell'accoppiamento, considerando le rigidezze.
 

paulpaul

Utente Standard
Professione: Macchinista
Software: Solid Edge, Autocad, Matlab
Regione: Parma
Una condizione particolare di carico è quella di macchina a vuoto: dato che in genere un compressore parte a vuoto ("senza pompare", grazie all'apertura di una valvola di bypass) in modo da ridurre la coppia di spunto del motore, hai una condizione (più o meno lunga) in cui sono presenti solo le forze inerziali, che quindi cambiano completamente lo stato di sollecitazione degli organi manovellismo: conviene verificare anche questa condizione (che fa nascere carichi di trazione), che per le macchine a semplice effetto, con un manovellismo che lavora quasi sempre in compressione, potrebbe essere critica.

La cosiddetta "spinta allo spinotto", somma algebrica di spinta gas e spinta inerziale delle masse alterne pure (e che come queste varia in funzione dell'angolo di rotazione) è quindi il punto di partenza del dimensionamento strutturale di ogni macchina alternativa.
 

Strego

Utente poco attivo
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Software: SolidWorks 2016, Ansys 18.2, Femap 11.2, AutoCAD 2012, SolidEdge 10
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Una condizione particolare di carico è quella di macchina a vuoto: dato che in genere un compressore parte a vuoto ("senza pompare", grazie all'apertura di una valvola di bypass) in modo da ridurre la coppia di spunto del motore, hai una condizione (più o meno lunga) in cui sono presenti solo le forze inerziali, che quindi cambiano completamente lo stato di sollecitazione degli organi manovellismo: conviene verificare anche questa condizione (che fa nascere carichi di trazione), che per le macchine a semplice effetto, con un manovellismo che lavora quasi sempre in compressione, potrebbe essere critica.

La cosiddetta "spinta allo spinotto", somma algebrica di spinta gas e spinta inerziale delle masse alterne pure (e che come queste varia in funzione dell'angolo di rotazione) è quindi il punto di partenza del dimensionamento strutturale di ogni macchina alternativa.

Grazie mille. E' stato incredibilmente preciso ed esaustivo. Dopo un colloquio con il professore del corso attinente siamo arrivati a concludere che è sufficiente un'analisi non troppo dettagliata. Ho utilizzato solamente la forza proveniente dalla pressione, applicandola sui supporti inferiori, sugli appoggi del cilindro e negli alloggiamenti dei cuscinetti. Sto lavorando su FEMAP. Vi allego uno screen del risultato ottenuto per la traslazione totale.
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