Diagnostica dei sistemi meccanici e Sperimentazione sulle macchine

Finalità

Modulo di Diagnostica dei sistemi meccanici
Il corso fornisce agli studenti le nozioni necessarie alla diagnostica delle macchine, all'analisi del segnale, alla misura sperimentale delle vibrazioni ed allo studio delle vibrazioni dei sistemi a parametri concentrati a molti gradi di libertà.

Modulo di Sperimentazione sulle macchine
Il corso fornisce un approccio basilare alla materia delle misure meccaniche. Da un primo esame funzionale del generico sistema di misurazione, si descrivono i parametri fondamentali che ne caratterizzano il funzionamento e le metodologie per l’analisi del comportamento nelle condizioni d’impiego stazionarie e non.
Successivamente si presentano i principali strumenti d’impiego nell’ambito delle misure di pressione, di temperatura, di portata e velocità nei fluidi.

Programma

Modulo di Diagnostica dei sistemi meccanici
Introduzione su danneggiamento, diagnostica e prevenzione dei guasti, manutenzione preventiva e predittiva dei sistemi meccanici.
Sistemi lineari, l'integrale di convoluzione e la risposta impulsiva.
Trasformate integrali (Fourier e Laplace).
Funzione di trasferimento.
La serie di Fourier.
Trasformata discreta di Fourier.
Teorema di Shannon. Introduzione alla FFT. Aliasing, leakage e finestre temporali.
Densità spettrale di energia.
Autospettro ed autocorrelazione.
Cross-spettro e cross-correlazione. Medie.
Funzione di Risposta in Frequenza (H1, H2 ed HV). Coerenza. Cepstrum.
Cenni su problemi nonlineari: sistemi hardening e sistemi softening.
Diagnostica delle macchine mediante misura di vibrazione. Applicazione alle macchine rotanti: problemi di sbilanciamento, disallineamento, eccentricità, giochi, risonanze.
Danneggimento nei riduttori e nei cuscinetti.
Esperienze di laboratorio su misure di vibrazione.
Acquisizione di segnali nel dominio del tempo, autospettro, FRF, coerenza.
Strumentazione: accelerometri, trasduttori di forza, martello strumentato, eccitatore elettrodinamico, amplificatori di potenza, amplificatori di carica, front-end, software.
Allestimento del set-up sperimentale. Nodi.
Vibrazioni di sistemi a parametri concentrati a molti gradi di libertà.
Scrittura delle equazioni del moto in forma matriciale.
Vibrazioni libere di sistemi conservativi; riduzione del problema agli autovalori in forma standard. Matrici definite e semidefinite.
Proprietà delle frequenze naturali e dei modi. Normalizzazione, ortogonalità, teorema di espansione.
Trasformazioni lineari di coordinate e coordinate modali; soluzione del problema forzato. Smorzamento proporzionale e metodo della matrice di transizione per il problema smorzato. Applicazioni.

Modulo di Sperimentazione sulle macchine
Concetto di Misura
Definizioni. Modello specifico e dettagliato alla base del processo di misurazione
Sistemi di Unità di Misura
Grandezze fisiche fondamentali e derivate. Sistemi del passato e il Sistema Internazionale
Qualità della Misura
Concetto di precisione: errore ed incertezza. Errori sistematici e casuali
Valutazione dell’errore residuo:
- metodo a priori: errori di lettura, di mobilità, di isteresi, di fedeltà, di zero, di taratura
- metodo a posteriori. Distribuzione di Gauss. Stima della media da campioni di misure, distribuzione di Student. Criterio di Chauvenet. Analisi di normalità della distribuzione
Propagazione dell’incertezza. Formula di Kline-McClintock. Metodo della perturbazione sequenziale
Incertezza in fase di progetto, nella misura singola e nelle misure multiple
Sistemi di misurazione
Le misure secondo la loro finalità. Analisi funzionale dello strumento
Trasduttore elementare. Impedenze meccaniche
Errori di carico o inserzione
Disturbi interferenti e modificanti. Riduzione degli errori dovuti ad ingressi di disturbo
Analisi delle prestazioni statiche e dinamiche degli strumenti
Qualità metrologiche dello strumento. Taratura statica e dinamica
Caratteristiche statiche: Sensibilità statica. Linearità
Caratteristiche dinamiche:
Rappresentazione analitica del comportamento dinamico dello strumento
Evoluzione libera e risposta forzata; metodo della trasformata di Laplace
Funzione di trasferimento
Funzione di trasferimento sinusoidale, diagrammi di Bode e di Nyquist
Strumenti elementari: di ordine zero, a tempo morto, del primo ordine, del secondo ordine
Risposta ad un ingresso periodico e non periodico
Determinazione sperimentale dei parametri caratteristici in fase di taratura
Misure di Pressione
Manometri a deformazione di elementi elastici (a tubo di Bourdon, a membrana, a capsula)
Manometri a dislivello di liquidi
Manometri differenziali (a campana, cella Barton, a toro pendolare, capacitivo)
Strumenti assoluti: manometro a pistone a peso diretto, manometro di MacLeod
Manometro di Knudsen
Indicatore di Watt. Indicatori stroboscopici
Trasduttori di pressione, trasduttori piezoelettrici
Effetti dinamici dei volumi e dei condotti di connessione
Misura della pressione statica e di ristagno nei fluidi
Misure di Temperatura
Scale Internazionale Pratica di Temperatura
Termometri a dilatazione (di liquido, di gas, di vapore saturo, bimetallici)
Termometri a coppia termoelettrica. Compensazione della temperatura del giunto freddo. Misura della forza elettromotrice
Termometri a resistenza elettrica
Termistori
Pirometri ad irraggiamento totale e parziale (monocromatico, a temperatura del colore)
Altri metodi di misura della temperatura (metodi basati sul rumore di fondo e sul punto di Curie, campioni Seger, cristalli liquidi)
Misure di temperatura nei flussi. Errori di conduzione e per irraggiamento, effetti della velocità
Misure di Flusso
Metodi qualitativi di visualizzazione del flusso
Misure di velocità
Tubo di Pitot. Determinazione della direzione della velocità
Anemometri a filo e a film caldo
Cenni alla tecnica Laser Doppler
Misure di portata
Misura della portata volumetrica
Gasometro. Contatori per gas: a liquido, a soffietto, a lobi
Contatori per liquidi
Dispositivo a burette tarate
Mulinelli e misuratori a turbina
Misura della portata massica
Metodi a strozzamento
Rotametri
Misuratore a flusso laminare, per pesata, a galleggiante, a ponte, a forza di Coriolis
Dispositivi a spinta di fluido

Attività di esercitazione

Modulo di Sperimentazione sulle macchine
Visione del banco prova motori a combustione interna e di un banco per componenti oleodinamici

Modalità d'esame

Modulo di Diagnostica dei sistemi meccanici
L'esame consta di una prova orale su argomenti del programma cui si affiancano relazioni (consigliate) sulle esperienze di laboratorio e su eventuali argomenti specifici proposti dal docente.

Modulo di Sperimentazione sulle macchine
L'esame consta di una prova orale sugli argomenti del programma del corso

Propedeuticità

Modulo di Diagnostica dei sistemi meccanici
Geometria, Analisi matematica I e II, e Meccanica applicata alle macchine

Modulo di Sperimentazione sulle macchine
Fisica I e II, Fisica Tecnica

Testi consigliati

Modulo di Diagnostica dei sistemi meccanici
L. MEIROVITCH, 1986, Elements of Vibration Analysis, 2nd edition, McGraw Hill.
E. O. BRIGHAM, 1974, The Fast Fourier Transform, Prentice-Hall.
M. R. SPIEGEL, 1983, Analisi di Fourier, collana Schaum, Etas Libri.
P. SAS (editore), 1992, Course on Modal Analysis, Theory and Practice, Vol. 1 e 2, Katholieke Universiteit Leuven.
D. J. EVINS, 1986, Modal Testing: Theory and Practice, Research Studies Press.
M. AMABILI, F. PELLICANO and M. P. PAÏDOUSSIS, 1999, Journal of Sound and Vibration, Vol. 225, No. 4, pp. 655-699. Non-linear dynamics and stability of circular cylindrical shells containing flowing fluid. Part I: stability.
M. AMABILI, F. PELLICANO and M. P. PAÏDOUSSIS, 1999, Journal of Sound and Vibration, Vol. 228, No. 5, pp. 1103-1124. Non-linear dynamics and stability of circular cylindrical shells containing flowing fluid, Part II: large-amplitude vibrations without flow

Modulo di Sperimentazione sulle macchine
1. Angrilli, F., 1996, Appunti di Misure Meccaniche e Termiche Ed. CUSL Nuova Vita, Padova
2. Doebelin, E. O., 1990, Measuremet System – Application and Design 4th edition, McGraw-Hill.
3. Minelli, G. 1974, Misure Meccaniche, Ed. Patron

Testi d'approfondimento

Modulo di Sperimentazione sulle macchine
1. Berta, G.L., Vacca, A., 2001, Appunti di Sperimentazione sui Motori a Combustione Interna, Atti del Dipartimento di Ingegneria Industriale – Serie Didattica
2. Autori Vari, 1994, Measurements Techiques in Fluid Dynamics – An Introduction, Von Karman Institute for Fluid Dynamics, Belgium
3. Taylor, J. R., 1986, Introduzione all’analisi degli errori: lo studio delle incertezze nelle misure fisiche Zanichelli Bologna
4. Capello, A., 1973, Misure Meccaniche e Termiche, Casa Ed. Ambrosiana, Milano
5. Branca, F. P., 1988, Misure Meccaniche, ESA Milano
6. Cavalli, C. A., 1978, Misure e Collaudi sulle Macchine a Fluido, Hoepli

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