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Alessandro Rivola

Professore ordinario

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/13 MECCANICA APPLICATA ALLE MACCHINE

Responsabile unità organizzativa di sede (UOS) Forlì — Dipartimento di Ingegneria Industriale

Temi di ricerca

Parole chiave: Vibrazioni Meccaniche Meccanica delle Macchine Monitoraggio e Diagnostica Aalisi e Sintesi di Meccanismi Analisi Elasto-Dinamica

A.    Modellazione ed analisi elastodinamica di macchine, meccanismi e strutture

  • A1.  Meccanismi a camma per macchine automatiche
  • A2.  Trasmissioni con ingranaggi
  • A3.  Meccanismi della distribuzione desmodromica di motori motociclistici
  • A4.  Pompe ad ingranaggi di impiego motoristico
  • A5.   Manovellismi di motori a combustione interna per motociclo
  • A6.  Meccanismi in catena chiusa bilanciati staticamente
  • A7.  Strutture portanti di macchinari
  • A8.  Assi di macchine utensili a controllo numerico

B.   Monitoraggio e diagnostica di organi e macchinari rotanti mediante analisi delle vibrazioni

  • B1.  Organi di macchine automatiche
  • B2.  Ruote dentate
  • B3.  Compressori assial-centrifughi
  • B4.  Motori a combustione interna

C.   Analisi spettrale d'ordine superiore di sistemi meccanici non-lineari

D.   Altro

  • D1.  Rilievo accurato di frequenze naturali
  • D2.  Analisi modale operativa
  • D3.  Test di qualifica a vibrazioni
  • D4.  Caratterizzazione vibro-acustica di dispositivi protesici
  • D5.  Monitoraggio delle perdite in condotte idriche mediante analisi delle vibrazioni


A.    Modellazione ed analisi elastodinamica di macchine, meccanismi e strutture

La ricerca, di tipo numerico-sperimentale, riguarda lo studio del comportamento dinamico di sistemi meccanici a cui sono richiesti elevate prestazioni in termini di velocità di funzionamento, precisione nella realizzazione della legge di moto e bassa rumorosità. Nella fase iniziale della ricerca si sono presi in considerazione principalmente meccanismi per macchine automatiche di elevate prestazioni, trasmissioni con ingranaggi, assi di macchine utensili a controllo numerico. Nel seguito gli studi hanno riguardato meccanismi della distribuzione desmodromica di motori a combustione interna per motociclo, pompe ad ingranaggi impiegate in dispositivi di servosterzo, e strutture portanti di macchinari ad elevata dinamica. In tali sistemi, le sempre crescenti prestazioni richieste sono fortemente limitate da rilevanti vibrazioni, eccitate dalle azioni d'inerzia conseguenti a movimenti non uniformi con accelerazioni elevate e/o da variazioni dei parametri dei sistemi (eccitazioni parametriche), come confermato da numerosi rilievi sperimentali.

In questo contesto, l'obiettivo della ricerca è analizzare il legame tra i parametri costruttivi e funzionali dei sistemi in esame ed il loro comportamento dinamico, mediante simulazioni ottenute con opportuni modelli cineto-elastodinamici, a loro volta validati tramite rilievi sperimentali. Le simulazioni hanno la finalità di identificare le cause dei principali malfunzionamenti nella fase delle prove su prototipo, di fornire utili indicazioni per l'eliminazione di tali malfunzionamenti e di prevedere l'efficacia di modifiche progettuali. L'attività è consistita nello sviluppo e nella validazione sperimentale dei modelli di specifici sistemi meccanici di diversa tipologia, al fine di mettere a punto metodologie relativamente generali per la modellazione delle trasmissioni ed azionamenti meccanici più comunemente impiegati.

Nello sviluppo dei modelli, ci si è riferiti sia all'ottimizzazione del comportamento vibratorio di macchine di elevate prestazioni (relazioni tra i parametri del sistema e l'effettivo comportamento dinamico), sia alla diagnostica dei malfunzionamenti (individuazione della natura e dell'origine di fenomeni dinamici di entità inaccettabile). I modelli sviluppati considerano con adeguata accuratezza i fenomeni più rilevanti ai fini della simulazione del comportamento dinamico dei relativi meccanismi; allo stesso tempo, si mantengono sufficientemente semplici e computazionalmente efficienti e di facile comprensione dal punto di vista fisico. Si tratta, in particolare, di modelli non lineari a parametri concentrati e/o ad elementi finiti che in generale considerano l'effettiva distribuzione delle masse, la cedevolezza elastica degli organi, le azioni dissipative viscose e non viscose, i giochi, la rigidezza hertziana dei contatti e l'effetto di schiacciamento del lubrificante (squeeze) nelle coppie cinematiche, la variabilità dei parametri del sistema e l'andamento nel tempo delle forze esterne. I parametri del modello vengono identificati basandosi sui dati costruttivi dei meccanismi (anche con l'ausilio della modellazione a elementi finiti degli organi) e su misure sperimentali. L'integrazione delle equazioni del moto, quando non ottenibile in forma chiusa, viene effettuata numericamente tramite codici dedicati o, in alternativa, impiegando software commerciale.

I risultati della simulazione sono validati con l'ausilio di rilievi sperimentali. La fase sperimentale è essenziale, sia per la citata identificazione dei parametri del modello, soprattutto nel caso di macchine di tipologia non ancora studiata, sia per la validazione del modello. In alcuni casi, i rilievi sono relativamente complessi e richiedono lo sviluppo di tecniche sperimentali particolari

B.   Monitoraggio e diagnostica di organi rotanti delle macchine mediante analisi delle vibrazioni

Nel campo degli organi e macchinari rotanti, la ricerca ha riguardato il rilevamento precoce di fratture in atto in denti di ingranaggi ed il monitoraggio e la diagnostica di meccanismi a camma per macchine automatiche, con specifico riferimento al rilevamento delle condizioni di usura nelle coppie cinematiche. In particolare, in letteratura non sono stati trovati studi in quest'ultimo settore. Più di recente si sono condotti studi anche su compressori assial-centrifughi e su motori a combustione interna testati su banchi prova a freddo. Alla base della ricerca sta l'esecuzione di numerose prove sperimentali, condotte in diverse condizioni di esercizio in ambiente industriale o su banco prova, sia in condizioni integre sia in presenza di difetti naturali o introdotti artificialmente. I segnali di vibrazione rilevati durante le prove sono stati elaborati ed analizzati secondo tecniche diverse - alcune presenti in letteratura ed opportunamente sviluppate, altre messe a punto appositamente - al fine di caratterizzare con sicurezza le condizioni delle macchine in esame. La selezione della tecnica più adatta alle varie applicazioni è effettuata sia sulla base di indagini sperimentali, sia mediante la modellazione delle alterazioni che i difetti inducono sul segnale vibratorio.

C.   Analisi spettrale d'ordine superiore di sistemi meccanici non-lineari

Il comportamento non-lineare dei sistemi meccanici può essere legato all'insorgere di guasti quali, ad esempio, l'innesco di cricche di fatica, l'incremento di giochi, la perdita di contatto in giunzioni. Tali malfunzionamenti generano vibrazioni contraddistinte da interazioni e accoppiamenti tra le componenti spettrali. La ricerca ha per oggetto lo studio e l'applicazione di metodologie avanzate di analisi del segnale che siano particolarmente sensibili alle caratteristiche appena evidenziate, con conseguente notevole interesse nel campo del monitoraggio degli organi meccanici e delle macchine. Ci si rivolge in particolare a metodi di elaborazione del segnale vibratorio basati sull'analisi spettrale di ordine superiore in quanto particolarmente adatta a rilevare non-linearità e fenomeni di interazione tra le diverse frequenze presenti in un segnale.

D.   Altro

Questa tipologia di attività riguarda in generale a nalisi teorico-sperimentali con applicazioni a diversi sistemi meccanici, per lo più meccanismi e macchinari. Molte delle ricerche condotte sono nate a seguito di attività di trasferimento tecnologico alle imprese. Più di recente ha preso il via una ricerca nell'ambito della qualifica a vibrazione di componenti meccanici, in collaborazione con una azienda di livello internazionale nel campo della simulazione e del testing.