{"id":23242,"date":"2024-05-31T03:41:21","date_gmt":"2024-05-31T01:41:21","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/05\/31\/nastri-trasportatori-progettazione-dinamica\/"},"modified":"2024-05-31T03:41:21","modified_gmt":"2024-05-31T01:41:21","slug":"nastri-trasportatori-progettazione-dinamica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/05\/31\/nastri-trasportatori-progettazione-dinamica\/","title":{"rendered":"Nastri trasportatori: progettazione dinamica"},"content":{"rendered":"
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I nastri trasportatori sono impiegati in tutto il mondo per il trasporto di passeggeri, merci generiche e materiali da circa 250 anni. Sono impiegati in larga misura nel settore minerario, in cementifici, centrali elettriche, produzione chimica e movimentazione industriale in genere. Negli ultimi decenni lo sviluppo delle tecnologie di progettazione dei nastri trasportatori ne ha accresciuto velocit\u00e0, portata e capacit\u00e0<\/strong>.<\/p>\n

di Giorgio De Pasquale, Elena Perotti, Giorgio Avanzato<\/em><\/p>\n

Rispetto ad altri metodi di trasporto, i nastri trasportatori<\/strong> sono vantaggiosi nel caso di grandi volumi in modo rapido ed efficiente anche su lunghe distanze e in aree dove strade e infrastrutture ferroviarie sono insufficienti. Oggi sono utilizzati nastri trasportatori sia in ambito indoor sia come alternativa ai trasporti via terra in esterno. La maggior parte degli impianti ha lunghezza variabile fra 10 e 20.000 m e larghezza variabile fra 0.3 e 3.2 m. La velocit\u00e0 pu\u00f2 raggiungere i 9 m\/s e la portata pu\u00f2 superare le 40.000 t\/h. <\/p>\n

Il sistema \u00e8 normalmente basato su un nastro in polimero rinforzato da un\u2019anima tessile ed \u00e8 possibile adottare rinforzi longitudinali mediante cavi d\u2019acciaio per le applicazioni pi\u00f9 critiche. Come si vede in Figura 1a, il nastro \u00e8 montato fra due tamburi, uno motorizzato e uno trascinato; il nastro \u00e8 poi supportato per tutta la sua lunghezza da rulli rotanti<\/strong> che ne mantengono la planarit\u00e0 e sostengono il peso del materiale trasportato. Un dispositivo mobile, detto tensionatore<\/strong>, applica il precarico longitudinale sul nastro per consentire la trasmissione senza strisciamento fra nastro e rullo motore e per evitare l\u2019allentamento e abbassamento del nastro lungo la linea. Il nastro pu\u00f2 essere arrestato mediante lo stesso motore oppure mediante un freno di emergenza. Le rulliere possono avere forme concave per il trasporto di materiali non compatti (Figura 1b).<\/p>\n

Come per ogni sistema, anche per i nastri trasportatori l\u2019affidabilit\u00e0 complessiva \u00e8 data dalla combinazione delle affidabilit\u00e0 dei singoli componenti. Il malfunzionamento di uno dei componenti pu\u00f2 portare a costosi tempi di fermo in caso di arresto totale del sistema, fino all\u2019interruzione del processo di produzione dell\u2019impianto industriale.<\/p>\n

Il nastro rappresenta il componente con maggiore valore aggiunto del sistema (esso costituisce in media i 2\/3 del valore complessivo) ed \u00e8 anche il componente maggiormente soggetto a usura e deterioramento a causa del contatto con il materiale trasportato, alle sollecitazioni meccaniche e al contatto con i rulli per la trasmissione della potenza di avanzamento. Si evidenzia quindi, fin da subito, che l\u2019incremento dell\u2019affidabilit\u00e0 complessiva passa dalla implementazione di efficaci sistemi di monitoraggio dello stato di salute del nastro, i quali sono l\u2019oggetto principale delle attuali attivit\u00e0 di ricerca in questo settore, come quelle condotte presso lo Smart Structures and Systems Lab<\/a> del Politecnico di Torino (www.s3laboratory.com).<\/p>\n

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Figura 1. Schema costruttivo di un tipico impianto di nastro trasportatore (a), esempio costruttivo di rulliera con profilo concavo (b) (Fonte: www.rulmeca.com<\/a>).<\/figcaption><\/figure>\n

Evoluzione della progettazione e delle normative<\/strong><\/h2>\n

Le prime norme per il calcolo di potenza e forze<\/em><\/h3>\n

Nel dopoguerra, nonostante l\u2019ampia diffusione dei nastri trasportatori, non esistevano norme condivise che definissero un metodo per il dimensionamento e la progettazione di questi impianti.<\/p>\n

Fu per prima la Conveyor Equipment Manufacturer\u2019s Association<\/em> (CEMA) a sviluppare e pubblicare nel 1966 un documento che fornisse a tutto il mondo una guida per la progettazione dei trasportatori a nastro [1]. Essa consisteva in una serie di equazioni per il calcolo della potenza necessaria all\u2019impianto e delle forze in gioco sul nastro, in funzione delle dissipazioni che si sviluppano all\u2019interno del sistema quali, ad esempio, l\u2019attrito dovuto al rotolamento dei rulli, il cambio di quota del materiale e del nastro in caso di dislivelli, gli attriti nelle varie pulegge e tenditori.<\/p>\n

Successivamente in Europa furono diffuse altre due norme che indicavano procedure simili a quelle della CEMA. La prima fu la ISO 5048 nel 1979 e la seconda fu la DIN 22101 nel 1982. In queste norme il nastro viene considerato come un corpo rigido<\/strong>, pertanto, attraverso la dinamica del corpo rigido newtoniano, \u00e8 possibile determinare le forze scambiate con i sistemi con cui entra in contatto [2].\u00a0 L\u2019obiettivo \u00e8 quello di calcolare la forza necessaria per il moto del nastro attraverso una analogia elettrica. I punti di contatto del nastro con altri corpi, come ad esempio i rulli, o il dislivello da superare, rappresentano delle resistenze. Sommando tutte le resistenze si riesce a calcolare la forza massima per il movimento del nastro.<\/p>\n

Le norme citate hanno come obiettivo quello di determinare in primis la forza effettiva e la potenza del motore necessaria, per\u00f2 ci\u00f2 che le contraddistingue \u00e8 l\u2019uso differente dei coefficienti di attrito: la DIN utilizza un coefficiente globale mentre la CEMA dei coefficienti diversi per nastro, rulli e tamburi [3].<\/p>\n

L\u2019estensione alla dinamica e agli elementi finiti<\/em><\/h3>\n

L\u2019approccio scelto dalle prime norme pu\u00f2 essere considerato come \u201cquasi-statico\u201d poich\u00e9 non prende in considerazione molti fenomeni dinamici che hanno luogo durante il normale funzionamento del nastro trasportatore. Nel caso di sistemi di piccole dimensioni e con bassi carichi, una ottica di progettazione di tale tipo pu\u00f2 essere considerata accettabile poich\u00e9 conduce a risultati in grado di descrivere discretamente il comportamento del sistema. In tutti gli altri casi sono invece presenti effetti che non \u00e8 possibile trascurare in fase di progettazione. <\/p>\n

Esempi di questi effetti sono, ad esempio, la variazione della coppia motrice e dell\u2019accelerazione che influenzano gli sforzi sul nastro, i disallineamenti del nastro che comportano un aumento della resistenza all\u2019avanzamento, il danneggiamento progressivo di alcuni componenti, le interruzioni non programmate del processo, etc. Per tutti questi casi, \u00e8 stato necessario integrare alle norme originarie anche gli aspetti dinamici del sistema, in modo da analizzarne meglio il funzionamento e soprattutto potendo simulare transitori di non-stazionariet\u00e0 come l\u2019avviamento o l\u2019arresto forzato del sistema che in alcuni casi sono proprio le fasi pi\u00f9 critiche.<\/p>\n

Nacque cos\u00ec la necessita di sviluppare dei modelli analitici dai quali fosse possibile estrarre informazioni pi\u00f9 dettagliate sugli effetti dinamici sul nastro. In Germania tra gli anni \u201870 e \u201880 del Novecento fu sviluppato un primo modello ad elementi finiti<\/a> [2]. La prima innovazione nel calcolo \u00e8 stata rappresentata dalla divisione del tratto di andata e ritorno del nastro, mediante una discretizzazione in due elementi. Da questa considerazione, parallelamente allo sviluppo di metodi di calcolo pi\u00f9 efficiente e rapidi, si osserv\u00f2 come la discretizzazione in pi\u00f9 elementi portasse a risultati pi\u00f9 accurati. I primi elementi erano monodimensionali e includevano sia le propriet\u00e0 elastiche sia quelle viscose del nastro. Essi possono essere rappresentati attraverso l\u2019analogia elettro-meccanica come una molla e uno smorzatore in parallelo [4].<\/p>\n

Gli effetti trasversali sul nastro<\/em><\/h3>\n

I modelli monodimensionali citati erano in grado di interpretare gli effetti di deformazione statica e dinamica del nastro in direzione assiale, l\u2019unico grado di libert\u00e0 considerato. Altri effetti piuttosto importanti, come la flessione del nastro, la sua deformazione lungo il contatto con il tamburo, le sue vibrazioni in direzione trasversale sono stati studiati solo in seguito. Le vibrazioni trasversali del nastro possono ridurre le prestazioni del sistema o causare usura accelerata del nastro. Si comprende il notevole interesse nello sviluppo di modelli per la dinamica trasversale e per l\u2019analisi dei parametri di funzionamento del sistema che pi\u00f9 influenzino le vibrazioni trasversali del nastro [5].<\/p>\n

Altri studi volti al miglioramento della progettazione sono stati orientati alla trasmissione del moto tra nastro e tamburo e ai fenomeni che ne regolano il meccanismo. In particolare, \u00e8 stato notato che la trasmissione di potenza tra questi due elementi avviene grazie agli sforzi e alle deformazioni a taglio e non a causa di una semplice deformazione assiale come si pensava prima [6].<\/p>\n

Un interessante ambito di ricerca dell\u2019ultimo decennio \u00e8 l\u2019ottimizzazione energetica da affiancare alla progettazione. Dato l\u2019elevato utilizzo in termini orari degli impianti a nastro trasportatore all\u2019interno delle industrie, \u00e8 essenziale contenere al massimo i consumi tramite un miglioramento progressivo della efficienza del sistema. Di conseguenza, analizzare il funzionamento dei sistemi a nastro e definire le condizioni di lavoro che permettano di ridurre i consumi di energia, sono attualmente gli obiettivi primari.<\/p>\n

Modelli dinamici<\/strong><\/h2>\n

La progettazione dell\u2019impianto deve tenere conto degli aspetti inerenti la dinamica del sistema. Durante i transitori di avvio, arresto o sovraccarico, infatti si verificano le condizioni di lavoro pi\u00f9 critiche che possono causare scorrimento indesiderato nastro-tamburo, rotture del nastro o altri problemi di funzionamento.<\/p>\n

Per questo tipo di analisi, il progettista deve utilizzare modelli opportuni, basati su diagrammi di corpo libero di porzioni del sistema. Viene analizzato ogni elemento del sistema e la modalit\u00e0 attraverso cui avviene la trasmissione del moto tra un elemento e l\u2019altro, in modo da ricavare le leggi fisiche che ne governano le relazioni. L\u2019elemento pi\u00f9 complesso da analizzare \u00e8 sicuramente il nastro, poich\u00e9 esso rappresenta allo stesso tempo l\u2019elemento fondamentale del sistema, sia quello pi\u00f9 critico in fase di funzionamento.<\/p>\n

Dinamica del tamburo motore<\/em><\/h3>\n

Per analizzare il comportamento dinamico dei tamburi e dei rulli, \u00e8 necessario costruire il loro diagramma di corpo libero. In Figura 2 \u00e8 rappresentato il diagramma di corpo libero del tamburo motore e del nastro avvolto su di esso. Nel diagramma sono riportati i carichi agenti sui due elementi, come di seguito dettagliato.<\/p>\n