Misurazione e tracciabilità della coppia nelle grandi trasmissioni meccaniche

Considerando l'ampia gamma di possibilità per la misurazione della coppia, il metodo comprendente un torsiometro tarato presso la sede del costruttore con un'accuratezza specificata, la quale si riferisce ad una catena ininterrotta di documentazione di confronto del torsiometro con campioni primari, garantisce la sua tracciabilità.

Le misurazioni di precisione sono essenziali per determinare il rendimento e quindi soddisfare i rigorosi regolamenti ambientali per i motori marini. L'ottimizzazione dei motori marini si basa sulle misurazioni altamente accurate ed affidabili della coppia, oltre a consentire un significativo risparmio energetico, ed è in linea con i requisiti sempre più severi dei regolamenti internazionali, specialmente per i motori marini aventi elevata coppia nominale [1].

La coppia motrice viene semplicemente calcolata in funzione di questa accurata misurazione della coppia M fra il generatore ed il lato della trasmissione del meccanismo rotante e la velocità angolare  ω, con la formula (1):

 

Solo l'accuratezza della coppia misurata consente il preciso controllo del sistema di azionamento meccanico. Ciò permette il monitoraggio dei motori a combustione (p. es. a multi-combustibile od a gas) allo scopo di garantirne il funzionamento entro la loro finestra operativa ottimale, aiutando così ad evitare battimenti, ingolfamenti, sovraccarichi, nonché  riducendo il consumo di carburante [1].

La coppia può essere misurata direttamente od indirettamente:

Misurazione diretta della coppia

La misurazione diretta della coppia utilizza un torsiometro in linea quale parte integrante dell'albero motore (vedere Fig. 2). Il torsiometro è stato già tarato con appropriate macchine di prova presso la sede del costruttore. Il trasduttore può essere facilmente installato, rimosso, sostituito e ritarato. 

Misurazione indiretta della coppia

La rilevazione indiretta della coppia su un albero cilindrico comporta la misurazione dei parametri relativi alla coppia ed il successivo calcolo.

a) Misurazione della deformazione sulla superficie dell'albero d'ingresso. Gli estensimetri devono essere pertanto incollati direttamente sull'albero e poi collegati allo strumento di misura. Sia la tensione di alimentazione del ponte di ER che il segnale di misura devono essere trasferiti senza contatto. 

b) Un altro metodo per determinare la coppia sull'albero cilindrico consiste nella misurazione dell'angolo di torsione.

Entrambi i metodi offrono alcuni vantaggi come, ad esempio, l'ammodernamento dei sistemi esistenti. A seconda della qualità dell'installazione e di componenti usati, il valore della coppia da calcolare successivamente può avere un'incertezza abbastanza alta a causa delle tolleranze (vedere Tab. 1), che comporta infine un'incertezza di misura relativamente significativa.

Taratura e tracciabilità

Per garantire la precisione della coppia motrice o del rendimento, essenziali per soddisfare i rigorosi regolamenti ambientali dell'industria dei motori marini, oltre alla misurazione di coppie elevate, assume sempre maggior importanza la taratura e la tracciabilità  della grandezza fisica. Fondamentalmente sono due le tecniche utilizzate per la taratura della coppia: sistema a braccio di leva / massa e trasduttore di riferimento. 

  • Sistema a braccio di leva / massa: viene generata una coppia definita con precisione allorché la forza-peso di una massa tarata agisce sul provino mediante un braccio di leva di lunghezza nota [3].
  • La seconda tecnica per la taratura della coppia consiste nell'impiego di un trasduttore di forza di riferimento con un braccio di leva [2].
  • Il terzo principio è un torsiometro di riferimento che fornisca il valore di riferimento. Nei sistemi con torsiometro di riferimento si può usare qualsiasi meccanismo per generare la coppia che viene poi misurata col torsiometro di riferimento [2].

Nuova macchina di taratura della coppia della HBM

Per soddisfare questi requisiti. la nuova macchina di taratura (vedere Fig. 3) usa un torsiometro di riferimento che fornisce la coppia di riferimento.

Quali trasduttori di riferimento vengono impiegati i torsiometri T10FH/150 kN•m e T10FH/400 kN•m modificati.  Grazie alla precisione dei due trasduttori di riferimento, è stato possibile ottenere l'incertezza di misura dello 0,1 %. Il principale contributo a questa incertezza di misura proviene dall'ininterrotta catena di confronto documentata di questi torsiometri rispetto al trasduttore di riferimento del Campione Nazionale Tedesco (vedere la piramide della tracciabilità, Fig. 4).

L'incertezza di misura del Campione Nazionale Tedesco (la macchina di taratura da 1,1 MN•m attualmente di rango più elevato), nota anche come “macchina campione della coppia”, di proprietà del PTB, a cui è tracciabile la nuova macchina di taratura da 400 kN•m, è dello 0,08 %.

Tale precisione del torsiometro consente di misurare la coppia e calcolare di conseguenza la potenza ed il rendimento, con un'accuratezza 10 volte superiore a quella richiesta dai regolamenti ambientali attualmente in vigore nell'industria marittima.

Riferimenti

[1] K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011) (Misurazione diretta della coppia con minime tolleranze su grandi trasmissioni)  

[2] R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002) (Misurare correttamente la coppia)

[3] Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Measurement Science Conference in Anaheim, USA. (2002) (La 1a Macchina Campione Nazionale per Coppie Statiche - Il Nuovo Concetto Strutturale Indica la
Via. Conferenza della Scienza della Misurazione ad Anaheim (USA) 

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