Il laboratorio, nato dal progetto LAQ IBIS, si occupa delle problematiche relative ai supporti ad aria. Le competenze riguardano sia cuscinetti radiali e reggispinta assiali per mandrini rotanti ad alta velocità, sia pattini pneumostatici per guide lineari di posizionamento di precisione.
Cuscinetti a gas
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Cuscinetti a gas radiali
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Federico Colombo
Mediante un software appositamente sviluppato è possibile simulare la distribuzione di pressione sia di cuscinetti esternamente pressurizzati, sia di cuscinetti dinamici, data la loro geometria. Il software è di ausilio alla progettazione dei cuscinetti ad aria poiché permette di calcolare la portanza, la rigidezza ed il consumo d’aria.
Alcuni prototipi di cuscinetti radiali sono anche testati sperimentalmente.
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Boccole con meato variabile
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Federico Colombo
Ai fini del raggiungimento di elevate velocità di rotazione con cuscinetti ad aria ibridi, sono state studiate boccole di profilo non circolare, che danno luogo ad un meato variabile lungo la direzione circonferenziale. Mediante modelli numerici del sistema rotore-cuscinetti è possibile identificare i coefficienti dinamici del cuscinetto e studiarne la stabilità.
Guido Belforte, Federico Colombo, Terenziano Raparelli, Andrea Trivella, Vladimir Viktorov, Rodrigo Villavicencio (2013), High speed rotors with elliptic gas journal bearings. 5th world TRIBOLOGY congress, Palaolimpico - Torino, 8-13 settembre 2013.
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Simulazione dinamica del sistema rotore-cuscinetti ad aria
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Federico Colombo
Mediante un software appositamente sviluppato è possibile simulare numericamente la traiettoria che compie il rotore per verificare la stabilità del sistema rotore-cuscinetti. E’ possibile tenere conto sia della geometria dei cuscinetti sia delle caratteristiche inerziali delle masse rotanti.
Le equazioni del moto del rotore, considerato come corpo rigido, vengono risolte nel tempo accoppiate con le equazioni della fluidodinamica a parametri distribuiti (eq. di Reynolds).
Colombo F; Raparelli T; Viktorov V. (2009) Externally pressurized gas bearings: A comparison between two supply holes configurations. TRIBOLOGY INTERNATIONAL vol. 42, pp. 303-310.
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Studio di fattibilità di cuscinetti ad aria per applicazioni mobili a celle a combustibile
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Federico Colombo
Mediante l’ausilio dei programmi di simulazione è stata analizzata la fattibilità dell’utilizzo di cuscinetti ad aria per il sostentamento di un turbocompressore per applicazioni mobili a celle a combustibile.
Sono stati verificati alla stabilità e alla capacità di carico sia cuscinetti pressurizzati che dinamici.
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Reggispinta assiali ad aria
Guido Belforte Terenziano Raparelli Vladimir Viktorov Andrea Trivella Federico Colombo Rodrigo Villavicencio
Cuscinetti reggispinta assiali ad aria sono stati progettati, realizzati e testati. Si è studiata l’influenza di ragnature superficiali anulari sulla rigidezza, sul consumo d’aria e sulla stabilità.
E’ stata valutata l’influenza della profondità di ragnatura sul fenomeno dell’air hammer.
E’ stato sviluppato un software che permette di calcolare numericamente la distribuzione di pressione all’interno di cuscinetti reggispinta assiali ad aria, sia alimentati esternamente, sia puramente dinamici.
Rodrigo Villavicencio, Federico Colombo, Terenziano Raparelli, Vladimir Viktorov (2013), Development of dynamic gas thrust bearings: design and first experimental results. AIMETA 2013, Torino, 17-20 Settembre.
Belforte G., Colombo F., Raparelli T., Trivella A., Viktorov V. (2011) Comparison between grooved and plane aerostatic thrust bearings: static performance. MECCANICA, vol. 46 n. 3, pp. 547-555.
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Pattini pneumostatici piani
Guido Belforte
Federico Colombo
Terenziano Raparelli
Andrea Trivella
Vladimir Viktorov
Vengono studiati pattini di geometria circolare e rettangolare. E’ stato sviluppato un software che permette il calcolo della distribuzione di pressione al di sotto di pattini piani ad aria esternamente alimentati. Il programma, a partire dalla geometria del pattino che viene fornita come parametro in ingresso, calcola la capacità portante, il consumo d’aria e la rigidezza del pattino in funzione del meato e della pressione di alimentazione.
Guido Belforte, Federico Colombo, Terenziano Raparelli, Andrea Trivella, Vladimir Viktorov (2013) Experimental Analysis of Air Pads with Micro-Holes. TRIBOLOGY TRANSACTIONS, vol. 56 n. 2, pp. 169-177.
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Studio dei sistemi di alimentazione di cuscinetti
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Resistenze con fori calibrati e tasche
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
A partire dalla misura della distribuzione di pressione e del consumo d’aria di pattini esternamente pressurizzati, sono stati identificati i coefficienti di efflusso di diverse geometrie di ugelli di alimentazione. E’ stata ricavata una formula che consente di calcolare il coefficiente di efflusso di un ugello in funzione della geometria del sistema di alimentazione e del numero di Reynolds calcolato in corrispondenza della sezione dell’ugello.
Federico Colombo, Terenziano Raparelli, Andrea Trivella, Vladimir Viktorov (2013) Investigation on the discharge coefficient of supply micro holes for gas bearings. 5th world TRIBOLOGY congress, Palaolimpico - Torino, 8-13 Settembre 2013.
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Resistenze porose con inserti sinterizzati
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Per ciascuna tipologia di resistenza sono state individuate le dimensioni e le granulometrie di resistenze la cui conduttanza risultasse vicina a quella di orifizi calibrati normalmente utilizzati nei cuscinetti pneumatici. E’ stata misurata la distribuzione di pressione in pattini realizzati con tali sistemi di alimentazione e in diverse condizioni di esercizio. E’ in fase di sperimentazione la determinazione dei parametri utilizzabili in noti modelli matematici per descrivere il comportamento del flusso attraverso queste resistenze identificando sia i coefficienti della formula ISO 6358, sia quelli della formula di Forchheimer per i materiali porosi.
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Resistenze porose con tessuti metallici
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Federico Colombo
Si stanno studiando, come è stato fatto per i materiali porosi, i coefficienti di efflusso di resistenze costituite da tessuti metallici. Di tali tessiti è possibile calcolare la porosità e la permeabilità e si stanno ricavando formulazioni più generali per esprimere i coefficienti della formula ISO 6358 e quelli della formula di Forchheimer per i materiali porosi.
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Rotori con supporti ad aria
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Supporti pneumostatici controllati
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
E’ stato studiato e realizzato un controllo pneumatico per aumentare la rigidezza di cuscinetti pneumostatici utilizzate su slitte di precisione. Il sistema si compone, oltre al cuscinetto in prova, di valvole di regolazione delle pressioni di alimentazione del cuscinetto e di un trasduttore di spostamento a contropressione.
I risultati sperimentali sono stati confrontati con quelli di un modello teorico a parametri concentrati, successivamente linearizzato ai fini dello studio della stabilità.
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Pneumomandrino
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Federico Colombo
Il pneumomandrino (diametro 50 mm e lunghezza 460 mm), progettato per i 100 kgiri/min, è supportato da cuscinetti ad aria e portato in rotazione mediante una turbina ad aria. La rigidezza sull’utensile (30 N/μm) viene misurata mediante opportuni dispositivi di carico. Per il rilievo delle orbite del rotore durante la rotazione all’interno delle boccole radiali è stato messo a punto un sistema di acquisizione integrato in Labview con schede che acquisiscono fino a 500 KHz e sensori di spostamento capacitivi o laser con risoluzione 0,1 μm.
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Elettromandrino pneumatico
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Federico Colombo
L’elettromandrino presenta cuscinetti ad aria. Il diametro dell’albero è 50 mm e la velocità di rotazione 75 kgiri/min, con potenza nominale 2.5 kW. E’ previsto un sistema di raffreddamento del motore a circuito chiuso.
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Supporti per applicazioni tessili
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Federico Colombo
Il sistema è costituito da un rotore di diametro 37 mm supportato da cuscinetti ad aria ed è stato progettato per raggiungere i 150 kgiri/min. La boccola è flottante su anelli O-Ring e ha un’azione smorzante. L’obiettivo del banco è lo studio dell’instabilità da whirling e dei metodi di introduzione dello smorzamento per aumentare la soglia di instabilità.
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Mandrino mesoscopico
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Federico Colombo
Il mandrino è progettato per raggiungere la velocità di 300 kgiri/min con un funzionamento stabile. Il diametro del rotore è 10 mm. Per garantire la stabilità è stato studiata un’opportuna geometria del cuscinetto radiale a meato non costante. A tal fine sono state svolte estese simulazioni numeriche su diverse geometrie che hanno portato all’individuazione della geometria ottimale.
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Supporti e guide pneumostatiche
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Banchi prova pattini piani
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Federico Colombo
Sono stati realizzati due banchi prova per caratterizzare i pattini piani ad aria, determinandone la caratteristica statica capacità di carico – meato, il consumo d’aria e la rigidezza. I banchi permettono inoltre di misurare la distribuzione di pressione al di sotto del pattino
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Pistoni senza guarnizioni a profilo variabile
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Luigi Mazza
Andrea Trivella
Sono stati studiati pistoni senza guarnizioni con profilo variabile: con profilo tronco-conico, pistoni con gradini e pistoni con tasche.
L’equazione di Reynolds monodimensionale è stata utilizzata per ottenere formulazioni in forma chiusa della rigidezza, trafilamento d’aria e distribuzione di pressione.
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Sala metrologica
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Controllo dimensionale dei particolari meccanici
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Federico Colombo
E’ stata allestita una sala di misure di precisione per il controllo dimensionale e la verifica delle tolleranze dei particolari meccanici costruiti. La strumentazione permette la misura dei meati d’aria richiesti con precisioni micrometriche.
Tale sala è dotata di proiettore di profili, di un microscopio, di un misuratore di altezze Mitutoyo e di una riga ottica. E’ inoltre disponibile un microscopio a fibra ottica con ingrandimenti fino ad 800 X.
Trasduttori di posizione induttivi, capacitivi e laser sono utilizzati per misurare spostamenti micrometrici.
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Misura delle portate d’aria
Guido Belforte
Terenziano Raparelli
Vladimir Viktorov
Andrea Trivella
Al fine di valutare correttamente le piccole portate d’aria dei cuscinetti, il laboratorio dispone di diversi flussimetri che coprono un ampio range di portate e di due strumenti campione di tipo volumetrico per la taratura dei flussimetri.
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Supporti pneumostatici con controllo attivo
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Banco prove dinamiche
Federico Colombo, Terenziano Raparelli, Andrea Trivella, Vladimir Viktorov
Il banco consente di studiare la risposta al gradino di forza di un pattino ad aria. Mediante uno shaker è anche possibile studiare la risposta in frequenza del pattino.
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Pattini attivi con controllo pressione
Federico Colombo, Daniela Maffiodo, Terenziano Raparelli
In tale soluzione si controlla la pressione di alimentazione al pattino mediante valvole pneumatiche digitali comandate in logica PWM. Un sensore di contropressione misura la pressione al di sotto del pattino e consente di ricavare il meato. Il controllore è costituito da una scheda Arduino. L’obiettivo è mantenere costante il meato al di sotto del pattino.
Active Gas Thrust Bearing With Embedded Digital Valves and Backpressure Sensors / Colombo, Federico; Maffiodo, Daniela; Raparelli, Terenziano. - In: TRIBOLOGY TRANSACTIONS. - ISSN 1040-2004. - 60:5 (2016), pp. 807-813.
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Pattini attivi con attuatori PZT
Federico Colombo, Luigi Lentini, Terenziano Raparelli, Andrea Trivella, Vladimir Viktorov
L’obiettivo di tale soluzione è mantenere costante l’altezza del pattino sottoposto a carichi variabili nel tempo. Mediante l’attuatore PZT si modifica l’altezza del pattino al fine di correggere la variazione del meato d’aria. E’ possibile ottenere bande passanti fino a 100 Hz.
Federico Colombo, Luigi Lentini, Terenziano Raparelli, Vladimir Viktorov, An active compensated aerostatic thrust bearing with flexure hinges and a piezo actuator, Ecotrib 2015, 3-5 june, Lugano, Switzerland
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Pattini semiattivi
Federico Colombo, Danial Ghodsiyeh, Terenziano Raparelli, Andrea Trivella, Vladimir Viktorov
Mediante l’utilizzo di componenti flessibili si modifica la resistenza di alimentazione al pattino in modo da aumentare la rigidezza del pattino stesso. Il metodo è detto semiattivo in quanto, pur non utilizzando un attuatore, ha in sé una retroazione di pressione che consente la regolazione.
Federico Colombo, Danial Ghodsiyeh, Terenziano Raparelli, Andrea Trivella, Vladimir Viktorov, A pneumatic active control for air pads, Ecotrib 2015, 3-5 june, Lugano, Switzerland.
Diaphragm valve-controlled air thrust bearing / Ghodsiyeh, Danial; Colombo, Federico; Raparelli, Terenziano; Trivella, Andrea; Viktorov, Vladimir. - In: TRIBOLOGY INTERNATIONAL. - ISSN 0301-679X. - STAMPA. - 109(2017), pp. 328-335.
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