Academic literature on the topic 'Vibrazioni Meccaniche'

Il presente elaborato finale di laurea è incentrato sulla verifica dell’efficacia del sistema di isolamento dalle vibrazioni di un’attrezzatura scientifica. In particolare, si è studiata la galleria del vento del laboratorio di ricerca CICLoPE (Center for International Cooperation for Long Pipe Experiment) dell’Università di Bologna. Durante la fase di costruzione dell’impianto, il progetto del basamento inerziale che costituisce la sospensione del gruppo motore, principale sorgente di vibrazioni meccaniche, è stato realizzato da una azienda esterna. Dopo qualche anno di funzionamento del laboratorio, si è pensato di verificare il comportamento vibratorio attuale per individuare l’insorgenza di eventuali criticità, soprattutto in termini di vibrazioni meccaniche trasmesse al suolo che, se eccessive, possono compromettere gli esiti dei test fluidodinamici condotti in galleria. L’attività svolta comprende sia uno studio teorico per la verifica del modello che fu adottato per isolare il sistema, sia una campagna sperimentale per la misura e l'analisi dei segnali accelerometrici riscontrabili alla base della sospensione in diverse condizioni di funzionamento dell’impianto.

Il lavoro presentato ha avuto l’obiettivo, attraverso lo studio dei più comuni servomotori stepper, di replicare profili di accelerazione registrati o definiti con l’utilizzo di una piattaforma hardware Arduino in grado di salvare ed elaborare dati. Per raggiungere tale risultato è stato realizzato un braccio meccanico in grado di replicare l’accelerazione su un singolo asse di interesse. L’intento del progetto è fungere da base per l’elaborazione di un dispositivo a tre assi utilizzabile in maniera estesa nei diversi campi in cui i fenomeni vibrazionali possono essere di rilievo.

Nell’ambito della medicina riabilitativa, si sta affermando sempre più l’applicazione terapeutica di vibrazioni meccaniche nel trattamento di specifiche patologie cliniche e nel settore della riabilitazione sportiva. L’esposizione alle vibrazioni può avere sull’organismo effetti positivi o negativi in funzione del tipo d’oscillazione e della durata dell’esposizione stessa. Le vibrazioni meccaniche, se applicate per periodi d’esposizione ridotti e frequenze d’oscillazione dell’ordine di 15-50 Hz, non solo non comportano alcun effetto negativo a livello organico, ma al contrario possono indurre adattamenti positivi del corpo umano. Il corpo umano però non vibra come una massa unica con un’unica frequenza naturale, ma ogni sua componente ha la propria frequenza di risonanza, il che provoca un’amplificazione o attenuazione delle vibrazioni di input da parte di ogni segmento corporeo. Per questo motivo è necessario porre particolare attenzione alla modalità di trasmissione delle vibrazioni meccaniche al corpo umano: queste difatti, se applicate all’intero corpo in maniera troppo aspecifica (Whole Body Vibration), hanno un effetto che non sempre risulta benefico. Ecco perché è di primaria importanza localizzare le suddette vibrazioni ad un segmento corporeo ben preciso e focalizzarne il più possibile l’effetto nella zona di interesse. Pertanto nel presente lavoro si sono esaminate le modalità con le quali tradurre l’esigenza medica di avere a disposizione un dispositivo dedicato all’applicazione localizzata di vibrazioni meccaniche controllate in ambito clinico, in linguaggio scientifico-ingegneristico, cercando di produrne una soluzione progettuale. In collaborazione con la ditta Boscosystemlab, impegnata nel settore della produzione di dispositivi per la riabilitazione e l’allenamento fisico, si è ideato ed implementato un prototipo specifico per l’applicazione clinica di vibrazioni locali al corpo umano. L’apparecchio implementato rende ergonomica l’applicazione locale delle vibrazioni, è “auto-applicabile al paziente”, protegge l’operatore clinico dalle sollecitazioni vibratorie applicate al paziente ed è di agevole utilizzo. Dopo aver implementato il nostro dispositivo, abbiamo verificato che la somministrazione delle sollecitazioni meccaniche erogate da esso ed applicate sul corpo producessero degli effetti oggettivamente rilevabili, effettuando misure elettromiografiche di superficie, analizzando il comportamento dei muscoli a riposo e durante l’applicazione su di essi delle vibrazioni prodotte dal prototipo, rilevando una risposta muscolare maggiore nel secondo caso. Successivamente si è posta in essere una reale indagine clinica basata su sperimentazioni effettuate sul campo. In collaborazione con il Programma Aziendale di Medicina Fisica e Riabilitazione Ambulatoriale della Fondazione Policlinico Tor Vergata di Roma si è somministrato l’Esercizio Terapeutico Vibratorio (ETV), utilizzando il nostro dispositivo, ad un paziente con frattura della tibia destra con ritardo di consolidazione o pseudoartrosi. Le immagini radiologiche in itinere e la successiva analisi mediante l’introduzione dell’Indice di Massa Ossea (IMO) ci inducono ad affermare che la terapia vibratoria applicata con il prototipo, contribuisce in maniera decisiva alla terapia di quei quadri patologici che si presentano con disturbi della formazione del callo osseo, riuscendo a risolvere il ritardo di consolidazione, riducendo notevolmente i tempi di recupero del paziente; non è da trascurare inoltre il miglioramento indotto sullo stesso in merito alla sintomatologia parestesica ed alla risoluzione dell’edema perilesionale. L’obiettivo seguente è stato quello di verificare l’effetto delle vibrazioni a livello metabolico sul muscolo di applicazione. In quest’ottica abbiamo deciso di utilizzare un ossimetro tissutale, installato presso l’Ospedale Fatebenefratelli dell’Isola Tiberina di Roma, in grado di rilevare l’andamento delle concentrazioni di Hb e HbO2, facendo uso della NIRS (Near InfraRed Spectroscopy). Effettuando delle misure durante l’applicazione dell’ETV, è stato possibile ricavare informazioni inerenti l’attività metabolica muscolare nella zona trattata (il bicipite destro nelle nostre misure). Analizzando gli andamenti ottenuti da queste misurazioni si rileva una variazione della concentrazione di emoglobina totale, ossigenata, e non ossigenata e della percentuale di saturazione di ossigeno: in particolare per quel che concerne l’emoglobina ossigenata si riscontra un aumento della sua concentrazione. Ulteriori misurazioni ci rivelano che sebbene le variazioni di concentrazione dell’emoglobina possano essere provocate in parte da un aumento di temperatura superficiale, anche le stesse vibrazioni meccaniche inducono variazioni rilevanti.
In Rehabilitation Medicine, therapeutic application of vibration energy in specific clinical treatments and in sport rehabilitation is being affirmed more and more. Vibration exposure can have positive or negative effects on the human body, depending on the features and time of the characterizing wave. Short periods of vibration exposure and specific frequency values can determine positive adjustments of human body. Human body doesn’t vibrate like a unique body, but every element regarding its own resonance frequency can cause an amplification or attenuation of the vibrations applied. This is the reason why vibration application mechanisms are crucial: if applied in non specific way, Whole Body Vibration (WBV) treatments could have non positive effects. In order to focus the effect of vibration in the specific treatment area, local vibrations (LV) have been introduced in rehabilitation medicine. The initial aim of the present study was to translate the medical necessity of applying local vibration in clinical treatments into scientific-engineering language, producing a design solution. In collaboration with Boscosystem Company, a manufacturer of rehabilitation medicine and sport training devices, we have produced a specific prototype for LV application on human body. The device is user friendly, “auto-applicable” to the patient, it preserves clinical operator from vibration stress and it makes LV applications ergonomic. Then, we have tested our prototype, verifying that the vibration produced by it and applied on human body has objectively detectable effects, analyzing the behaviour of muscles in rest time and under vibration energy, by using surface electromyography, obtaining a greater response in the second scenary. Subsequently, a real clinical inquiry was made about the device effectiveness and its clinical use on patients. To achieve this goal, in collaboration with the Company Program of Physical Medicine and Day-Hospital Rehabilitation of Policlinico Tor Vergata in Rome, we have applied therapeutic exercise by vibration (TEV) produced by our device on a male patient with a non-union right tibial fracture. In itinere radiological images and Bone Mass Index analysis allow us to state that TEV, made by using our device, contributes decisively to the therapy of pathologies concerning disorders of bone callous forming, resolving the consolidation delay, reducing patient healing time; moreover it isn’t negligible the improvement induced on the patient, as far as paraesthetic symptomatology and reduction of perilesion edema are concerned. The next target of our study was the inquiry of TEV metabolic effects on the application muscle. So, we have used a Tissue Oximeter installed at Fatebenefratelli Isola Tiberina Hospital in Rome, that is able to detect Hb and HbO2 concentration trend, by using NIRS (Near InfraRed Spectroscopy). By making measurements during TEV application, it was possible to obtain information about metabolic activity in the treated area (biceps in our case). By analyzing Hb and HbO2 trends, we have shown a variation of total Hemoglobine, of oxygenated and non-oxygenated Hemoglobine and of oxygen saturation: in particular, we have shown an increase of oxygenated Hemoglobine. More measurements revealed us that, although Hemoglobine concentration increase could be partially caused by temperature rise, Local Vibrations themselves induce sensible variations.

Il presente lavoro di tesi, svolto presso azienda operante nel settore delle macchine utensili, ha l'obiettivo di indagare l’implementazione di un sistema di condition monitoring basato su misura e analisi di segnali sperimentali per definire strategie di manutenzione predittiva delle macchine. Queste ultime vengono equipaggiate, provvisoriamente o in modo permanente, di appostiti sensori in grado di acquisire segnali indicativi del funzionamento della macchina stessa. Nel settore delle macchine utensili, i parametri relativi alla loro firma vibratoria sono comunemente analizzati nelle attività di monitoraggio. Dovendo implementare il sistema sulle varie unità di lavoro di cui si compone una macchina completa, per i test di indagine preliminare è stato sfruttato un banco prova con fresatrice verticale a tre assi, la cui struttura modulare è rappresentativa di tutte le unità di lavoro delle macchine prodotte dall’azienda. Dopo un’analisi di mercato e incontri con diversi fornitori, si è individuato il sistema più idoneo rispetto alle specifiche tecniche ed economiche aziendali. Si è reputato opportuno acquistare un sistema di monitoraggio portatile, e non fisso, perché in grado di offrire maggiore versatilità ed effettuare analisi più approfondite. I test sulla macchina di prova sono stati effettuati per velocità di rotazione del mandrino sia a regime sia per rampe lineari. Per il primo tipo, si è presa a riferimento la velocità di rotazione associata a una tipica lavorazione di foratura; per il secondo invece, una prova in decelerazione ha permesso di individuare le principali risonanze della macchina, rilevate in corrispondenza dei picchi di ampiezza del segnale vibratorio. Consolidato l’uso del sistema acquisito, a corollario dell’attività principale di tesi, è stata svolta un’indagine sperimentale su alcuni portautensili commerciali, con l’obiettivo di individuare quello con la maggiore stabilità dinamica e indirizzare così le future scelte di approvvigionamento.

I sistemi di accumulo di energia costituiscono una tecnologia abilitante per le energie rinnovabili, poiché di natura tipicamente discontinua, dato che consentono uno svincolo temporale tra produzione ed utilizzo. In particolare, gli accumulatori elettromeccanici costituiscono una valida alternativa ai più diffusi accumulatori elettrochimici in termini di eco-sostenibilità e tempi di ricarica. L’elaborato tratta lo studio vibrazionale di un prototipo di macchina elettrica sincrona ironless a magneti permanenti, destinata ad un sistema di accumulo elettromeccanico dimensionato per utilizzo domestico. Prove sperimentali sono state eseguite facendo funzionare la macchina come generatore, trascinata da un motore elettrico asincrono al banco prova; ci si è focalizzati sull’analisi del segnale vibratorio rilevato da un trasduttore accelerometrico installato sulla flangia statorica della macchina, testata in suoi diversi punti di funzionamento a diverse velocità di rotazione. Sono stati, poi, sviluppati diversi codici MATLAB per elaborare i dati sperimentali, ottenuti in prove eseguite a velocità sia variabile che costante. Il confronto dei risultati ha confermato la convergenza dei modelli, consentendo di individuare le frequenze proprie del sistema e le armoniche della frequenza di rotazione della macchina. È stato, inoltre, sviluppato, a seguito di un processo di reverse engineering volto alla rilevazione delle quote dimensionali dei vari componenti della macchina, un modello CAD della stessa; questo getta le basi per sviluppi futuri del progetto, del quale risulta utile la definizione dei modelli tridimensionali delle altre parti comprese nel sistema (anch’esse soggette all’eccitazione della rotazione della macchina), unitamente alla definizione dei materiali delle varie parti ed alle condizioni di vincolo tra queste, al fine di sviluppare un’analisi modale che consenta di determinare le deformate di ogni componente e indagare le cause della risposta vibratoria del sistema.

I test di qualifica a vibrazioni vengono usati in fase di progettazione di un componente per verificarne la resistenza meccanica alle sollecitazioni dinamiche (di natura vibratoria) applicate durante la sua vita utile. La durata delle vibrazioni applicate al componente durante la sua vita utile (migliaia di ore) deve essere ridotta al fine di realizzare test fattibili in laboratorio, condotti in genere utilizzando uno shaker elettrodinamico. L’idea è quella di aumentare l’intensità delle vibrazioni riducendone la durata. Esistono diverse procedure di Test Tailoring che tramite un metodo di sintesi definiscono un profilo vibratorio da applicare in laboratorio a partire dalle reali vibrazioni applicate al componente: una delle metodologie più comuni si basa sull’equivalenza del danno a fatica prodotto dalle reali vibrazioni e dalle vibrazioni sintetizzate. Questo approccio è piuttosto diffuso tuttavia all’autore non risulta presente nessun riferimento in letteratura che ne certifichi la validità tramite evidenza sperimentalmente. L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato di verificare la validità del metodo tramite una campagna sperimentale condotta su opportuni provini. Il metodo viene inizialmente usato per sintetizzare un profilo vibratorio (random stazionario) avente la stessa durata di un profilo vibratorio non stazionario acquisito in condizioni reali. Il danno a fatica prodotto dalla vibrazione sintetizzata è stato confrontato con quello della vibrazione reale in termini di tempo di rottura dei provini. I risultati mostrano che il danno prodotto dalla vibrazione sintetizzata è sovrastimato, quindi l’equivalenza non è rispettata. Sono stati individuati alcuni punti critici e sono state proposte alcune modifiche al metodo per rendere la teoria più robusta. Il metodo è stato verificato con altri test e i risultati confermano la validità del metodo a condizione che i punti critici individuati siano correttamente analizzati.
Qualification with respect to input vibrations is an important step in the development of a product since it provides fundamental information relative to the product fatigue life. For the sake of test feasibility, environmental vibrations that excite the product during its lifetime (thousand of hours) must be reduced to test profiles suitable for an experimental campaign to be performed in a laboratory (typically by means of an electromechanical shaker). The idea is to increase the amplitude of the input vibrations while decreasing the corresponding duration. Some Test Tailoring procedures exist for the definition of test vibration profiles starting from environmental data properly acquired: one of the most common is based on the equivalence of the fatigue damage caused by both the environmental data and the test profiles. This approach is reasonable and quite widespread: however, in the author’s knowledge, the literature offers no paper dealing with the demonstration of the method reliability based on experimental evidence. In the present thesis, the intense experimental campaign carried out to validate the method (on a proper specimen) is presented. The method is firstly applied to synthesize a test profile (that is random stationary) having the same duration of the non-stationary environmental vibration. The damage potential of the synthesized vibration is then compared to the environmental vibration one, in terms of the specimen time to failure. Results show that the test profile damage potential is highly overestimated and therefore the equivalence is not respected. Some critical issues are pointed out to try to explain and overcome the high error. The method is applied in many other cases and the final results basically confirm the soundness of the method provided that critical issues are properly accounted and compensated for.

I test di qualifica a vibrazioni vengono usati in fase di progettazione di un componente per verificarne la resistenza meccanica alle sollecitazioni dinamiche (di natura vibratoria) applicate durante la sua vita utile. La durata delle vibrazioni applicate al componente durante la sua vita utile (migliaia di ore) deve essere ridotta al fine di realizzare test fattibili in laboratorio, condotti in genere utilizzando uno shaker elettrodinamico. L’idea è quella di aumentare l’intensità delle vibrazioni riducendone la durata. Esistono diverse procedure di Test Tailoring che tramite un metodo di sintesi definiscono un profilo vibratorio da applicare in laboratorio a partire dalle reali vibrazioni applicate al componente: una delle metodologie più comuni si basa sull’equivalenza del danno a fatica prodotto dalle reali vibrazioni e dalle vibrazioni sintetizzate. Questo approccio è piuttosto diffuso tuttavia all’autore non risulta presente nessun riferimento in letteratura che ne certifichi la validità tramite evidenza sperimentalmente. L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato di verificare la validità del metodo tramite una campagna sperimentale condotta su opportuni provini. Il metodo viene inizialmente usato per sintetizzare un profilo vibratorio (random stazionario) avente la stessa durata di un profilo vibratorio non stazionario acquisito in condizioni reali. Il danno a fatica prodotto dalla vibrazione sintetizzata è stato confrontato con quello della vibrazione reale in termini di tempo di rottura dei provini. I risultati mostrano che il danno prodotto dalla vibrazione sintetizzata è sovrastimato, quindi l’equivalenza non è rispettata. Sono stati individuati alcuni punti critici e sono state proposte alcune modifiche al metodo per rendere la teoria più robusta. Il metodo è stato verificato con altri test e i risultati confermano la validità del metodo a condizione che i punti critici individuati siano correttamente analizzati.
Qualification with respect to input vibrations is an important step in the development of a product since it provides fundamental information relative to the product fatigue life. For the sake of test feasibility, environmental vibrations that excite the product during its lifetime (thousand of hours) must be reduced to test profiles suitable for an experimental campaign to be performed in a laboratory (typically by means of an electromechanical shaker). The idea is to increase the amplitude of the input vibrations while decreasing the corresponding duration. Some Test Tailoring procedures exist for the definition of test vibration profiles starting from environmental data properly acquired: one of the most common is based on the equivalence of the fatigue damage caused by both the environmental data and the test profiles. This approach is reasonable and quite widespread: however, in the author’s knowledge, the literature offers no paper dealing with the demonstration of the method reliability based on experimental evidence. In the present thesis, the intense experimental campaign carried out to validate the method (on a proper specimen) is presented. The method is firstly applied to synthesize a test profile (that is random stationary) having the same duration of the non-stationary environmental vibration. The damage potential of the synthesized vibration is then compared to the environmental vibration one, in terms of the specimen time to failure. Results show that the test profile damage potential is highly overestimated and therefore the equivalence is not respected. Some critical issues are pointed out to try to explain and overcome the high error. The method is applied in many other cases and the final results basically confirm the soundness of the method provided that critical issues are properly accounted and compensated for.

Il concetto di mobiktà sostenibile racchiude gli impegni concreti da assumersi per avviare un processo di reale cambiamento ecologico ed è un argomento di estrema attualità. Il progetto LIBER (Lithium Battery per l'Emilia Romagna), nel quale il presente elaborato si inserisce, nasce con l'intento di contribuire all'attuale transizione ecologica tramite la realizzazione di Battery Pack da impiegare nel settore automotive e movimentazione industriale. In particolare, l'obbiettivo posto a valle dell'elaborato di tesi è la verifica dell'ottemperanza dell'innovativo pacco batteria alle disposizione imposte dalla normativa R 100, che concerne l'omologazione dei veicoli circa i requisiti specifici per il motopropulsore elettrico. L'analisi è stata condotta sottoponendo l'elemento a due delle prove menzionate dalla normativa, il Vibration Test e il Mechanical shock; il primo test è stato eseguito modellando agli elementi finiti il modulo e sottoponendolo, parallelamente, ad una concreta sollecitazione vibrante per mezzo di un esapode, mentre il secondo test è stato condotto esclusivamente in ambito computazionale. Lo sviluppo di entrambe le simulazioni è stato notevolmente agevolato in termini di oneri computazionali dalla semplificazione del modello FEM mediante l'utilizzo di RVE, la cui validità è stata attestata dal confronto con il modello rappresentativo della geometria reale; infatti, i risultati ottenuti garantiscono che la variazione percentuale tra i due modelli dei valori assunti dai modi e dagli spostamenti si attesta attorno al 5%. Il test di vibrazione su esapode ha fornito dei risultati in termini di accelerazione del modulo in risposta ad una forzante, confrontabile con la risposta in frequenza generata dall'approccio simulativo, determinando una conformità tra i valori assunti nei due casi, in corrispondenza della medesima frequenza e validando, quindi, il modello FEM

L’esposizione degli operatori in campo agricolo alle vibrazioni trasmesse al corpo intero, produce effetti dannosi alla salute nel breve e nel lungo termine. Le vibrazioni che si generano sulle trattrici agricole hanno una elevata intensità e una bassa frequenza. Le componenti orizzontali, amplificate dalla posizione elevata della postazione di guida dall’asse di rollio, presentano maggiori criticità per quanto riguarda i sistemi di smorzamento rispetto alle componenti verticali. Queste caratteristiche rendono difficoltosa la progettazione dei sistemi dedicati alla riduzione del livello vibrazionale per questa categoria di macchine agricole. Nonostante l’installazione di diversi sistemi di smorzamento, il livello di vibrazioni a cui è sottoposto l’operatore può superare, in diverse condizioni di impiego, i livelli massimi imposti dalla legge per la salvaguardia della salute. L’obiettivo di questo lavoro è quello di valutare l’influenza dei moti rigidi di una trattrice (beccheggio, rollio e saltellamento) dotata di sospensione assale anteriore, sospensione cabina e sospensione sedile, sul livello vibrazionale trasmesso all’operatore.E’ stata pertanto strumenta una trattrice con accelerometri e inclinometri installati su telaio, cabina e sedile e utilizzata in diverse condizioni di lavoro in campo e di trasporto su strada. Dall’analisi delle prove effettuate emerge che durante il trasporto su strada è predominante l’accelerazione longitudinale, a causa dell’elevata influenza del beccheggio. La sospensione riduce notevolmente il moto rigido di beccheggio mentre l’effetto della sospensione della cabina è quello di incrementare, in ogni condizione di lavoro, il livello di accelerazione trasmesso dal telaio della macchina.
The vibrations transmitted to the driver are dangerous and can cause temporary or permanent injuries. Tractors are characterized by vibrations with high intensity and low frequency. The most critical directions are represented by the horizontal ones because of the high distance from the seat and the tractor rolling axis with respect to the vertical direction. That increase the difficulties in the design of solutions able to reduce the vibration transmitted to the driver. Despite the fitting of different damping systems, the level of vibration to which the operator is subjected, could be over the maximum levels defined into health safe law in different working conditions. The goal of this study is the evaluation of the influence of tractor rigid motions (pitch, roll and bounce) on the vibration level transmitted to the operator and their influence offront axle suspension, cab suspension and suspension seat. To reach this goal, devices as inclinometers and accelerometers were installed on a tractor chassis, cab and seat. The tractor in different working conditions as field and road transport was used. The analysis of the test data shows that the longitudinal acceleration is predominant during road transport, due to the influence of pitch motion. The front axle suspension greatly reduces the pitch while the cab suspension, increases the acceleration level transmitted from the machine frame in every working condition.