ITVR20090092A1

ITVR20090092A1 - Supporto idrostatico per grandi strutture ed in particolare per grandi telescopi.

Info

Publication number: ITVR20090092A1
Application number: IT000092A
Authority: IT
Inventors: Raffaele Tomelleri
Original assignee: Raffaele Tomelleri
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2010-12-26
Also published as: US20100329593A1; CL2010000676A1

Description

TITOLO: SUPPORTO IDROSTATICO PER GRANDI STRUTTURE ED IN PARTICOLARE PER GRANDI TELESCOPI

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un supporto idrostatico per ii sostentamento idrostatico di grandi strutture ed in particolare per sostenere idrostaticamente strutture di macchine utensili, telescopi e antenne di grandi dimensioni.

Un sistema di sostentamento idrostatico è costituito da un insieme di supporti idrostatici opportunamente alimentati e connessi, ed ha la funzione di supportare e vincolare, oppure solo vincolare, in modo rigido e stabile una struttura, interponendo un film d’olio tra i supporti idrostatici e la superficie, o le superfici, di guida, in modo da consentirne il movimento con forze molto contenute ed in assenza di usura.

Definiamo anzitutto il significato dei seguenti termini:

- pattino è la parte del supporto idrostatico ed è accoppiato alla guida,

- tasca è un recesso ricavato nel pattino, nella quale l'olio viene inviato in pressione attraverso il foro di alimentazione,

- superficie di trafilamento è la superficie del pattino sopra la quale l’olio passa dalla tasca al canale di recupero dell’olio, realizzando così la separazione del pattino dalla guida,

- meato idrostatico è il film d’olio che si interpone tra la superficie di trafilamento e la guida quando il pattino idrostatico è alimentato, - tiltante nelle due direzioni è definito un supporto idrostatico il cui pattino è in grado di orientarsi nelle due direzioni per adattarsi all’orientamento della guida,

- flottante è definito un supporto idrostatico il cui pattino è in grado di muoversi assialmente in relazione alla sua base in conseguenza delle sollecitazioni provenienti dalla guida, per cui il supporto idrostatico in conseguenza di tali sollecitazioni può assumere diverse altezze,

- supporto idrostatico master è definito un supporto idrostatico la cui altezza è fìssa oppure controllata per cui esso non è flottante, supporto idrostatico slave è definito un supporto idrostatico che è flottante.

Quando si deve supportare o guidare idrostaticamente una struttura di grandi dimensioni è necessario adottare un numero di supporti idrostatici che può risultare anche di molto superiore a quelli che teoricamente potrebbero bastare a esercitare il vincolo isostatico, e ciò allo scopo di ripartire il peso su più supporti idrostatici, ed anche allo scopo di aumentare le rigidità sia statiche che dinamiche consentendo di elevare così le frequenze proprie della struttura.

In un sistema di sostentamento idrostatico viene affidato ad almeno una parte dei supporti idrostatici il compito di mantenere la posizione della struttura in modo prefissato o controllato, denominati supporti di posizione o supporti “master”, mentre gli eventuali rimanenti supporti idrostatici hanno il compito di sopportarne una parte del peso o incrementare la rigidità, e sono denominati supporti idrostatici di forza o supporti idrostatici “slave".

Nella applicazione dei supporti idrostatici a strutture di ampie dimensioni è richiesto che i supporti idrostatici abbiano la capacità di accettare gli errori geometrici angolari delle guide dovuti sia ad errori dì costruzione che a deformazioni strutturali in particolare dovute alle dilatazioni termiche non omogenee, che per le grandi strutture possono raggiungere valori considerevoli.

Questo requisito si traduce nella necessità che il pattino sìa tiltante, ovvero che esso sia in grado di orientarsi nelle due direzioni, allo scopo di adattarsi all’orientamento della guida.

Ai supporti idrostatici, ed in particolare a quelli applicati ai telescopi, è in generale richiesto che essi ottengano elevate rigidità statiche e dinamiche allo scopo di elevare le frequenze proprie della struttura.

Ai supporti idrostatici applicati in particolare a telescopi è anche richiesto che le temperature esterne, delle guide e dei supporti idrostatici stessi, siano mantenuti ad una temperatura con differenze entro 1°C in relazione alla temperatura della struttura. Ciò comporta, con le soluzioni attualmente adottate, di limitare la pressione di tasca a valori non superiori a circa 40 - 50 bar, posto che il riscaldamento è proporzionale ad essa, riuscendo con questi valori di pressione a stare con la temperatura dell’olio a circa - 1°C all'interno della tasca e a circa 1°C in uscita dai pattino. Si tenga conto che la temperatura dell’olio all’interno nella tasca è importante dato che l’olio presente nella tasca raffredda una porzione di guida che poi può essere esposta all’aria in seguito ad un movimento sufficientemente rapido dell’asse. La limitazione della pressione di tasca ai valori sopra indicati comporta l’adozione di supporti idrostatici di ridotta capacità di carico a pari dimensioni, oppure all’adozione di supporti idrostatici di grandi dimensioni a pari capacità di carico.

Nei grandi telescopi è anche richiesto che essi non producano vibrazioni anche di piccolissima entità, per cui è necessario che non si verifichino movimenti bruschi durante il cambiamento deirorientamento del pattino, come potrebbe verificarsi in caso di fenomeni di stick-slip, ovvero movimenti a scatto causati da scorrimenti ad attrito in caso di accoppiamenti radenti.

E’ anche richiesto che i supporti idrostatici siano in grado di ripartire in modo accettabile il carico tra loro anche in caso di mancanza di alimentazione, anche in condizioni di emergenza ed anche considerando il caso di un terremoto.

Ai supporti idrostatici è anche richiesto che essi dissipino la minima quantità possibile di energia ovvero, a pari pressione di alimentazione e per una data altezza del meato idrostatico, che venga limitata per quanto possibile la portata d’olio ai supporti idrostatici.

Ai supporti idrostatici è anche richiesto che essi abbiano deformazioni per quanto possibile molto contenute, in modo da consentire l’impiego di meati idrostatici più piccoli contenendo la portata d'olio e aumentando la sua rigidità.

Esistono sistemi di supporto idrostatico che assolvono solo parzialmente ai requisiti sopra descritti.

Esistono sistemi di supporto idrostatico che impiegano un certo numero di supporti idrostatici “master” e un certo numero di supporti idrostatici “slave”, ma tali supporti idrostatici impiegano all'interno degli snodi sferici, o snodi cardanici, che non risultano essere sufficientemente rigidi se non vengono ben precaricati, ma tale precarico aumenta il rischio di sovraccarico delle superfici, ed inoltre l’attrito presente tra le superfici di tali snodi sferici può produrre fenomeni di stick-slip durante il cambiamento dell’orientamento del pattino.

I supporti idrostatici attualmente in uso non impiegano soluzioni tali da consentire l’adozione di pressioni di tasca superiori a quella prima indicata senza produrre differenze di temperature della guida e dei supporti idrostatici superiori a 1°C riferite alia temperatura della struttura.

Esistono supporti idrostatici assolvono a buona parte dei requisiti sopra indicati, ma le cui tasche, generalmente di forma rettangolare, alimentano il meato idrostatico in tutto il loro perimetro, e che perciò non limitano, come di fatto sarebbe possibile, la portata d’olio che alimenta il supporto idrostatico, e ciò con elevato dispendio di energia.

Scopo principale del trovato è quello che il supporto idrostatico che assolva insieme a tutti i requisiti sopra elencati, ottenendo innanzitutto una elevata rigidità statica e dinamica dei supporti idrostatici master. Ulteriore scopo del trovato è quello di ottenere una elevata rigidità dinamica dei supporti idrostatici slave.

Ulteriore scopo del presente trovato è di consentire al pattino movimenti di tilt, ovvero cambiamento dell’orientamento, nelle due direzioni senza adottare snodi sferici, giunti cardanici, o altre soluzioni a strisciamento. Ulteriore scopo del presente trovato è quello di consentire l’adozione di elevate pressioni di tasca, che però non producano temperature del supporto idrostatico e della guida oltre 1°C riferito alla temperatura della struttura, allo scopo che le dimensioni e il costo dei supporti idrostatici.

Ulteriore scopo dei presente trovato è quello di ottenere una buona distribuzione dei carico tra i supporti idrostatici anche in presenza di ampi errori dei sistemi di guida anche nel caso in cui si abbia un elevato numero di supporti idrostatici.

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di limitare la portata d’olio che alimenta il supporto idrostatico limitando con ciò la potenza dissipata.

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di contenere le deformazioni del pattino.

Questi scopi, ed altri che risulteranno dalla descrizione che segue sono raggiunti, secondo l’invenzione, con un supporto idrostatico caratterizzato dal fatto che:

- è dotato di una camera idraulica di precarico interposta tra base e pattino,

- è tiltante senza l’impiego di uno snodo sferico o di uno snodo cardanico in quanto il pattino può muoversi angolarmente sull’olio della camera idraulica,

- il canale di recupero dell’olio non circonda tutto il perimetro delle tasche, limitando così la portata d’olio e l’energia dissipata,

- la camere idraulica di precarico è alimentata attraverso una o più resistenze idrauliche di smorzamento.

- l’alimentazione interna alle tasche interne dei pattini è realizzata mediante canali atti a fare in modo che l’olio di alimentazione lambisca solo una piccola parte della superficie della tasca.

La presente invenzione viene qui di seguito ulteriormente chiarita in alcune preferite forme di pratica realizzazione, riportate a scopo puramente esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle allegate tavole di disegni, in cui:

la figura 1 mostra schematicamente una sezione di un supporto idrostatico master,

la figura 2 mostra schematicamente una sezione di un supporto idrostatico slave,

la figura 3 mostra schematicamente una disposizione dei canali di tasca, la figura 4 mostra schematicamente una sezione del pattino in corrispondenza della tasca.

la figura 5 mostra schematicamente lo schema idraulico di connessione delle camere idrauliche di tre supporti idrostatici master e un supporto idrostatico slave,

la figura 6 mostra schematicamente una sezione del supporto idrostatico slave con molle interne e cilindro ausiliario.

La figura 1 mostra il supporto idrostatico master 10 accoppiato alla guida 11, costituito principalmente dalla base 12, dall’albero di vincolo 13 e dal pattino 14, nel quale le viti 15 rendono solidale l’albero di vincolo sia alla base che al pattino. Nel pattino sono ricavate le tasche 19 alimentate dall’olio tramite i rispettivi fori di alimentazione.

Le dimensioni dell’albero di vincolo 13 e i giochi laterali nelle sedi, sono tali da consentire ad esso di flettersi in entrambe le direzioni in conseguenza di un diverso orientamento della guida in relazione al pattino, per cui esso rende di fatto tiltante il pattino nelle due direzioni. La camera idraulica di precarico16, la cui tenuta è realizzata tramite le guarnizioni 18, è interposta tra la base e il pattino, ed è alimentata alla pressione voluta attraverso il foro 17 per realizzare il precarico del pattino.

La lunghezza dell’accoppiamento tra pattino e base, in corrispondenza della guarnizione esterna 18, è abbastanza corta da consentire al pattino di tiltare di angoli sufficientemente grandi ma che non determinano interferenze.

La figura 2 mostra il supporto slave 20 accoppiato alla guida 11, costituito principalmente dalla base 21, dall’albero di vincolo 22 e dal pattino 23, nel quale le viti 24 rendono solidale l’albero di vincolo al pattino. Nel pattino sono ricavate le tasche 19 alimentate dall’olio tramite i rispettivi fori di alimentazione. Il supporto idrostatico slave ha la proprietà di essere flottante ovvero di poter modificare la sua altezza, in quanto l’albero di vincolo non è fissato alla base, e la camera idraulica di precarico25, alimentata alla pressione voluta determina la forza che si vuol scaricare sul pattino non vincola la posizione assiale del pattino, per cui il supporto idrostatico può variare la sua altezza nei limiti concessi dalla massima corsa.

Le dimensioni dell’albero di vincolo e i giochi presenti 22 sono tali da consentire ad esso di flettersi in entrambe le direzioni in conseguenza di un diverso orientamento della guida in relazione al supporto, per cui esso rende di fatto tiltante il pattino nelle due direzioni.

La camera idraulica di precarico 25, la cui tenuta è assicurata dalle guarnizioni 26, è interposta tra la base e il pattino ed è alimentata ad tramite il foro 27 per realizzare il precarico del pattino alla pressione voluta.

La figura 3 con la sua vista in pianta, e la figura 4 con una sezione lungo il piano di sezione IV-IV, mostrano la soluzione di realizzazione delle tasche e dei canali di alimentazione del trovato. Le due figure mostrano innanzitutto che il canale di recupero 39, che raccoglie l'olio proveniente dalle tasche e lo convoglia verso il foro di recupero 41, è ricavato solo nella parte esterna del pattino 30 e non si estende aliinterno tra una tasca e l’altra, per cui il meato idrostatico si estende dalle tasche verso il canale di recupero e non tra una tasca e l’altra. Nelle figure sono visibili le quattro tasche 31 del pattino 30, nelle quali l’alimentazione dell’olio giunge dai quattro fori 33 attraverso i quali l’olio alimenta il meato idrostatico tramite i quattro canali di alimentazione 34 aventi forma di L, tale da raggiungere tutto il perimetro interessato dal meato idrostatico. Tra i quattro canali di alimentazione 34 e le tasche interne 35 ci sono i quattro rilievi 36 che, pur assicurando che la pressione di alimentazione interessi tutta la tasca anche nella condizione iniziale di contatto tra pattino e guida prima del sollevamento, sono così vicini alla guida da fare in modo che il flusso dell’olio di alimentazione lambisca solo una piccola parte della tasca che è praticamente quella determinata dall’ampiezza dei canali di alimentazione 34.

E’ importante che la superficie di tasca sia sufficientemente ampia da assicurare il distacco del pattino dalla guida quando la pressione di alimentazione arriva solo nella superficie della tasca. Per assicurare ciò è importante che i rilievi 36 non vadano a contatto con la guida quando il supporto idrostatico non è alimentato, ma lascino un minimo passaggio affinché la pressione di alimentazione interessi tutta la tasca.

La figura 5 mostra tre supporti idrostatici master 51, le cui camere idrauliche sono alimentate tramite le resistenze idrauliche di smorzamento 52 alla pressione di taratura della valvola riduttrice di pressione 53, mentre il supporto idrostatico slave 54 ha la camera di precarico alimentata tramite la resistenza idraulica di smorzamento 55 alimentata dalla pressione di taratura della valvola riduttrice di pressione 56. Gli accumulatori 57 e 58 insieme alle valvole di tenuta 59 assicurano il mantenimento della pressione per un certo tempo in caso di assenza di alimentazione.

La figura 6 mostra un supporto idrostatico slave 60 accoppiato alla guida 11, nel quale tra il pattino 61 e la base 62 sono presenti le molle 63 distribuite in un’area circolare. Il cilindro idraulico ausiliario 64 alimentato tramite il foro 65, consente di esercitare una sufficiente forza di compressione in grado di comprimere le molle 63 nel caso si voglia ridurre l'altezza del supporto idrostatico per smontarlo per manutenzione.

Forniamo ora i necessari commenti alle figure e alle soluzioni in esse presentate.

Il supporto idrostatico master è stato presentato nella fig. 1 in una soluzione fissa ovvero nella soluzione nella quale il supporto idrostatico ha una altezza fissa dal momento che l'albero di vincolo è fissato sia alla base che al pattino. Possono essere realizzate diverse soluzioni nelle quali esso è di tipo attivo, ovvero in cui la sua altezza è controllata. Una soluzione è quella di ottenere un supporto idrostatico master ad altezza controllata utilizzando un supporto idrostatico slave nel quale l’alimentazione alla camera idraulica di precarico non è regolata da una pressione, ma è realizzata alimentandola con precise quantità di olio in entrata o in uscita tramite due elettrovalvole a seconda che si voglia aumentare l’altezza del supporto o la si voglia diminuire. Prevedendo opportuni trasduttori di altezza del supporto idrostatico si può realizzare il controllo in ciclo chiuso dell’altezza del supporto idrostatico master ad altezza controllata.

Nel supporto idrostatico master di tipo fisso, ovvero con l’albero di vincolo fissato anche alla base, la camera idraulica di precarico ha anche la funzione di porre in parallelo all'albero di vincolo la camera di precarico, che risulta molto più rigida dell’albero di vincolo, conferendo all’insieme una rigidità dinamica molto più elevata.

Tale rigidità dinamica molto alta si ottiene per la presenza delle resistenze idrauliche di smorzamento. Le resistenze idrauliche di smorzamento 52, visibili in fig. 5, che alimentano le camere idrauliche dei supporti master, hanno un valore elevato in modo da non consentire il flusso dell’olio in relazioni alla rapidità delle sollecitazioni dinamiche determinate dai sistemi di azionamento e delle forze di disturbo, per cui la camera di precarico dal punto di vista dinamico si comporta come se essa fosse chiusa e contribuisce in modo considerevole alla rigidità del supporto idrostatico master.

Sia nel supporto idrostatico master che nel supporto idrostatico slave, la camera di precarìco ha anche la funzione di determinare un precarico distribuito del pattino che ne riduce le deformazioni, consentendo cosi l’adozione di meati di minore altezza con conseguente minore dispendio di energia e maggiori rigidità.

Le resistenze idrauliche di smorzamento che alimentano le camere di precarico dei supporti slave hanno anche esse un valore sufficientemente elevato in modo da non consentire il flusso dell’olio in relazioni alla rapidità delle sollecitazioni dinamiche determinate dai sistemi di azionamento e delle forze di disturbo, per cui la camera di precarico dal punto di vista dinamico si comporta come se essa fosse chiusa e contribuisce in modo considerevole alla rigidità del supporto idrostatico slave. Essa però ha un valore sufficientemente basso da consentire il lento movimento assiale del pattino in modo da consentire ad esso seguire le variazioni di altezza determinate dagli errori geometrici o alle dilatazioni termiche. Le due condizioni possono essere entrambe soddisfatte posto che le frequenze delle sollecitazioni dinamiche proprie delle strutture e dei sistemi di azionamento sono dell’ordine di un Hertz o di alcuni Hertz, mentre le frequenze delle movimentazioni di adattamento alle dilatazioni termiche o alle variazioni geometriche durante le condizioni operative sono dell’ordine di circa cento volte più piccole.

Una diversa soluzione per rendere il pattino tiltante può essere quella di non impiegare alcun albero di vincolo, ma semplicemente facendo appoggiare direttamente il pattino sulla camera idraulica di precarico fornendo il vincolo laterale tramite la superficie di guida esterna.

La soluzione del trovato che impiega una particolare alimentazione della tasca presentata nelle figure 3 e 4 ha la funzione di fare in modo che il fluido idraulico che giunge nella tasca più freddo della temperatura della struttura, interessi solo una piccola parte della tasca interna. Deve essere considerato che allo scopo di contenere il salto di temperatura in relazione alla struttura è necessario che il fluido giunga ad una temperatura inferiore a quella della struttura in modo che poi il riscaldamento durante il trafilamento lungo il meato, lo porti ad una temperatura sopra la temperatura delle strutture, ma entro il massimo salto tollerato. Allo scopo di consentire l'impiego di pressioni di alimentazioni più elevate è necessario prevedere che l’olio giunga entro la tasca a temperature più basse di quelle consentite, ma ciò può essere accettato con la soluzione del trovato che limitando l’ampiezza della superficie di tasca lambita dall’olio freddo, di fatto limita il raffreddamento della superficie della tasca e della guida. Il fluido idraulico percorre il canale alimentando il meato, ma la sporgenza interna 36 riduce di molto l’ampiezza della superfìcie della tasca e della guida lambite dall’olio freddo di alimentazione. In alternativa alla soluzione di fig. 4 si può evitare la presenza del rilievo 36, realizzando la tasca interna 35 di profondità costante e molto piccola, ottenendo anche in questo modo che l'olio freddo lambisca la superficie di guida corrispondente i canali di alimentazione.

Le medesime due figure 3 e 4 mostrano come il canale di recupero sia presente solo nel perimetro esterno del supporto idrostatico e non sia esteso anche ad interporsi anche tra le tasche. Qualora esso fosse esteso ad interporsi tra le tasche, esso aumenterebbe la larghezza del meato idrostatico aumentando così la portata dell’olio, ed inoltre diminuirebbe la superficie efficace del supporto idrostatico diminuendone a pari pressione la sua capacità di carico. Con questa soluzione la larghezza del meato idrostatico è limitata a circa metà del perimetro di ciascuna tasca, e ciò ottiene anche un miglior sfruttamento della superficie del supporto idrostatico che ha una superficie efficace più grande.

La soluzione di fig. 6 impiega molle di precarico nei supporti idrostatici slave, le quali si interpongono tra la base 62 e il pattino 61 , consentendo di esercitare la forza voluta anche in assenza di alimentazione, che può essere scelta pari ad una frazione della forza che deve essere supportata normalmente dal supporto idrostatico. Alimentando II cilindro idraulico ausiliario 64 si possono comprimere le molle e con ciò ridurre l’altezza del supporto per consentirne lo smontaggio. Questa soluzione è indicata quando vi sia un elevato numero di supporti idrostatici slave e si voglia assicurare una buona ripartizione del carico. Ciò è reso possibile dalla soluzione presentata dato che le molle mantengono il loro carico anche in mancanza di alimentazione. In questo caso il cilindro ausiliario 64 ha anche la funzione di esercitare il precarico della camera idraulica di precarico66 allo scopo di aumentarne la sua rigidità. In caso di mancanza di alimentazione, o in caso di terremoto, il carico medio non può ridursi al di sotto di quello esercitato dalle molle.

La presente invenzione è stata illustrata e descritta in alcune sue preferite forme di realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad esse in pratica apportarsi, senza peraltro uscire daH’ambito di protezione del presente brevetto per invenzione industriale.

Claims

TITOLO: SUPPORTO IDROSTATICO PER GRANDI STRUTTURE ED IN PARTICOLARE PER GRANDI TELESCOPI R I V E N D I C A Z I O N I 1. Supporto idrostatico, particolarmente indicato per essere parte del sistema di sostentamento idrostatico di una grande struttura ed in particolare di un telescopio di grandi dimensioni, caratterizzato dal fatto che: - comprende una base e un pattino tra i quali è interposta una camera idraulica di precarico, - il pattino è tiltante in relazione alla base senza impiegare uno snodo sferico o uno snodo cardanico, - il canale di recupero dell’olio non circonda tutto il perimetro delle tasche del pattino, - la camere idraulica di precarico è alimentata attraverso una o più resistenze idrauliche di smorzamento.
2. Supporto idrostatico secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che l'alimentazione alle tasche del pattino è realizzata mediante canali che inviano l'olio che alimenta il meato idrostatico e che limitano la superficie lambita dall’olio di alimentazione a meno della metà della superficie di tasca.
3. Supporto idrostatico secondo tutte le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la resistenza idraulica di smorzamento ha un valore sufficientemente elevato da aumentarne la rigidità dinamica.
4. Supporto idrostatico secondo tutte le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto esso è dotato di un albero di vincolo fissato al pattino, il quale consente movimenti di tilt nelle due direzioni.
5. Supporto idrostatico secondo la rivendicazione 4 caraterizzato dal fato che l’albero di vincolo è fissato anche alla base, ma che consente ugualmente i movimenti di tilt del pattino nelle due direzioni.
6. Supporto idrostatico secondo le rivendicazioni precedenti 1, 2, 3, 4, caratterizzato dal fatto che esso è provvisti al suo interno di molle interposte tra base e pattino atte a supportare una parte del carico nominale.
7. Supporto idrostatico secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che esso è dotato di un cilindro idraulico ausiliario applicato all’albero di vincolo che è adatto a esercitare una forza in grado di comprimere le molle.