XXXVII CONGRESSO AIAS

AIAS – ASSOCIAZIONE ITALIANA PER L’ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI
41° CONVEGNO NAZIONALE, 5-8 SETTEMBRE 2012, UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
AIAS 2012 - 087
PROGETTAZIONE DI UN MECCANISMO DI MOVIMENTAZIONE DEI
FLAPS DI UN ALISCAFO
G. Marannanoa, S. Schittonea, A. Giallanzaa, F. Moraceb, C. Lipernib, G. Morrab
Università degli Studi di Palermo – Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica e
Meccanica, 90128 Palermo, e-mail:[email protected]
b
USTICA LINES, via Orlandini 48, 91100 Trapani
a
Sommario
Lo studio, frutto dell’attività di ricerca svolta dal DICGIM dell’Università degli Studi di Palermo in
partnership con l’Engineering Department della Ustica Lines S.p.A. nell’ambito di un progetto
finanziato con fondi PON Ricerca e Competitività 2007-2013, analizza preliminarmente le cause di
guasto comportanti la fermata di un aliscafo HSC per trasporto passeggeri al fine di individuare i
componenti critici del mezzo. Individuato tale criticità nel sistema di stabilizzazione, viene valutato
l’impatto economico del fermo del battello sui costi operativi della Compagnia di navigazione.
L’entità di tali costi, anche in termini di mancata utilizzazione del mezzo, comporta la necessità di un
approfondito studio avente come obiettivo la riprogettazione del sistema di movimentazione dei profili
alari del sistema di stabilizzazione del battello. La soluzione proposta è stata verificata strutturalmente
al fine di garantirne l’integrità in navigazione.
Abstract
The study, result of research activity carried out by DICGIM of Università degli Studi di Palermo in
partnership with Engineering Department of Ustica Lines SpA under a project funded by PON Ricerca
e Competitività 2007-2013, preliminarily analyzes the causes of failure involving the stop of a
hydrofoil passenger HSC in order to identify the critical components of the ship.
The critical element is identified in the stabilization system, in this work is evaluated the economic
impact of the vessel stop on operating costs of the shipping company.
Such costs, in terms of non-use of the vessel, involve the necessity of a thorough study focused on the
redesign of the driving element of the ship stabilizing system. The proposed solution has been
structurally verified to ensure the integrity in navigation.
Parole chiave: manutenzione; sistemi di stabilizzazione; HSC.
1. INTRODUZIONE
L’importanza dei mezzi di trasporto marittimo passeggeri ad alta velocità ha raggiunto oggi una
importanza strategica per i collegamenti che soddisfano sia esigenze di continuità territoriale
residenziali e lavorative che esigenze di movimentazione turistica.
Le tipologie dei battelli impiegati rispondono al codice HSC [2] che stabilisce una precisa
classificazione dei mezzi veloci in funzione di velocità di crociera e dislocamento.
Gli HSC sono classificabili in quattro principali categorie: monocarena, multiscafi, mezzi a
sostentamento alare e ACV (air cushion vehicle). Un approfondito confronto tra le tipologie di mezzi
impiegati, individua nei mezzi a sostentamento alare la tipologia di battello che meglio si adatta per il
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trasporto di un numero non elevato di passeggeri (poco più di 200 persone) per tratte medio - brevi
anche in condizioni meteo marine perturbate (fino a forza 4-5) garantendo un accettabile confort a
bordo [3].
Figura 1: Battello Foilmaster HSC
Ciò è dovuto essenzialmente al fatto che sino a tali condizioni meteo marine lo scafo si trova al di
sopra delle creste del moto ondoso e i suoi movimenti vengono controllati da un impianto di
stabilizzazione [4].
In aggiunta a ciò, per tali mezzi, il consumo di combustibile, espresso in kg per passeggero e per
miglio, risulta sensibilmente inferiore a quello delle altre tipologie di mezzi HSC. Ciò è dovuto al
sostentamento alare che determina una resistenza inferiore, a parità di velocità di crociera, a quella
delle altre tipologie di mezzi, causata dal moto ondoso prodotto dal mezzo e dalla resistenza di attrito
delle superfici di carena.
A fronte di tali indiscutibili vantaggi, il mezzo a sostentamento alare presenta un elevato costo di
manutenzione principalmente dovuto alla struttura alare che è dotata di superfici mobili (flap) cui è
affidata la funzione di stabilizzazione del mezzo oltre che di innesco della fase di decollo dello stesso.
Il movimento dei flap, è stato finora realizzato mediante un sistema oleodinamico ad alta pressione a
causa delle elevate forze che si esercitano sui flap stessi alla velocità di crociera di circa 36 knt.
La complessità del meccanismo cinematico di movimentazione e la sistemazione in acqua degli
attuatori idraulici di comando ha rappresentato e rappresenta attualmente un punto debole dei mezzi a
sostentamento alare impiegati per il trasporto marittimo veloce passeggeri.
2. STATO DELL’ARTE E CRITICITA’
Il sistema di stabilizzazione, attualmente impiegato, consiste in due elementi mobili incernierati sulle
ali anteriori i cui movimenti, indipendenti l’uno dall’altro, sono comandati da due cilindri attuatori
disposti nella parte sottostante l’ala anteriore (Figura 2).
Il sistema di controllo attualmente rileva i movimenti dell’imbarcazione, in termini di rollio e
beccheggio, e tramite un circuito oleodinamico agisce direttamente sui flap in modo da stabilizzare
l’imbarcazione.
Il sistema interviene anche durante la fase di decollo per innescare la planata, ma in questa fase i
movimenti dei flap sono sincroni. Alla velocità di crociera di circa 36 knt il posizionamento dei flap
oscilla tra ±10°. In corrispondenza della massima deflessione, per mezzo di analisi fluidodinamica
dell’intero sistema alare, si è ottenuto sull’asse del flap un momento di 3.000 Nm [5]. La pressione di
esercizio del circuito oleodinamico e il dimensionamento dei cilindri idraulici garantiscono la
possibilità di esercitare tale momento.
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Figura 2: Schema del sistema attuale di movimentazione flap
Tale tipologia di sistema di comando dei flap ha rappresentato un limite per l’impiego dei mezzi a
sostentamento alare il cui sviluppo risente ancora oggi degli elevati costi dovuti a defaillance di tali
sistemi di stabilizzazione. La presenza degli attuatori idraulici in acqua può indurre fouling sugli steli
dei cilindri con rapida usura delle guarnizioni di tenuta e frequenti rotture dei sensori di posizione
degli attuatori fondamentali per il controllo degli stessi.
Sulla base di quanto sopra esposto i mezzi a sostentamento alare sono soggetti a frequenti fermate
anche imposte dagli organi di controllo marittimo per anche limitate fuoriuscite di liquido idraulico
dagli attuatori che causano evidenti fenomeni di pollution in zone marittime protette.
3. ANALISI DEI COSTI DI MANUTENZIONE
La manutenzione ha un ruolo fondamentale nelle politiche di gestione di una compagnia di
navigazione. Le norme imposte dalle autorità del settore salvaguardano in modo adeguato la sicurezza
non consentendo alcun tipo di risparmio sui costi di manutenzione. Tali regole sono molto rigide e non
possono essere eluse dalle compagnie di navigazione; la mancata manutenzione o la carenza di
manutenzione fa si che la compagnia possa incorrere in pesanti sanzioni.
L’analisi dei costi di manutenzione per gli interventi necessari dovuti agli inconvenienti dei sistemi di
stabilizzazione non va limitata agli interventi direttamente connessi alla sostituzione di particolari
meccanici; vanno, infatti, anche considerati:
 i notevoli costi di alaggio e varo a lavori ultimati comprendenti anche i costi dovuti al
trasferimento del mezzo in porti attrezzati alla messa in secco;
 i costi indotti dovuti alla indisponibilità del mezzo.
Tali considerazioni sono strettamente attinenti ai mezzi dotati di sistema a sostentamento alare mentre,
non lo sono del tutto per gli altri mezzi, che seppur dotati di sistemi di stabilizzazione, presentano
attuatori di comando interni allo scafo e non incorrono, quindi, nei problemi di usura e rottura sopra
descritti.
Lo studio è stato basato sull’attuale politica di manutenzione adottata genericamente dalle compagnie
di navigazione, di tipo a guasto, che comporta l’imprevedibilità della fermata del mezzo. Una diversa
politica manutentiva, di tipo preventivo e/o predittivo ad esempio, comporterebbe la necessità di
dotare il sistema di stabilizzazione di sofisticati sensori atti a rilevarne il progressivo deterioramento.
L’installazione di tali sensori sui sistemi attualmente impiegati “in acqua” risulterebbe praticamente
impossibile ed, anzi, aggraverebbe la complessità del sistema. Per contro, un aumento della frequenza
degli interventi di manutenzione, anche solo al fine di un controllo più frequente dei sistemi di
stabilizzazione, comporta in ogni caso sia l’alaggio e il varo che il fermo del mezzo rendendo la
politica di manutenzione preventiva del tutto inefficiente oltre che inefficace.
La manutenzione di un moderno battello per trasporto passeggeri assorbe circa il 20÷25% dell’intero
costo operativo ed è quindi una voce molto importante nel capitolo dei costi. Dall’efficienza della
manutenzione, sia per quanto riguarda la qualità del servizio sia per quanto riguarda i tempi, dipende
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anche in larga misura la programmazione delle tratte. La produttività di un battello dipende dal tempo
di impiego. Da qui la necessità di ridurre i tempi di manutenzione al minimo senza intaccare la
sicurezza. Questa complessa problematica rientra nei compiti del management che deve gestire la
manutenzione della flotta affinché vengano ridotti al minimo i tempi ed i costi, senza trascurare le
problematiche legate alla sicurezza.
Dal momento che i battelli a sostentamento alare sono molto costosi devono essere ampiamente
utilizzati, garantendo un alto tasso di disponibilità operativa. Da qui la necessità di intervenire
progettualmente per innovare il sistema di stabilizzazione considerato critico ai fini della gestione
operativa di un battello a sostentamento alare.
Nello studio non si è fatta una scelta orientata a realizzare un modello che riproduca il comportamento
di un sistema complesso, quale quello di stabilizzazione, soggetto ad una specifica politica
manutentiva. Piuttosto, si è posta l’attenzione sugli effetti determinati dall’innovazione del sistema di
stabilizzazione sugli interventi manutentivi straordinari dovuti al guasto del sistema stesso. Nel caso
specifico il guasto non è provocato dal raggiungimento di una determinata soglia del parametro di
usura, ma da specifiche cause esogene dovute principalmente al posizionamento dell’attuatore. Infatti,
gli attuali sistemi di stabilizzazione presentano attuatori posizionati al di sotto del livello del mare. Ciò
determina:
 il deterioramento dell’attuatore dovuto principalmente al contatto con l’acqua salina piuttosto
che all’usura;
 la possibilità che il battello possa subire un urto, con conseguente guasto, se il battello nel
corso della navigazione incorre in impatti imprevisti in presenza di bassi fondali (soprattutto
in entrata ai porti).
In aggiunta, il processo di manutenzione ordinaria dei battelli è caratterizzato da ispezioni periodiche,
imposte dalle norme, per determinare lo stato dei componenti soggetti a controllo. La sostituzione del
sistema di stabilizzazione oggi in uso con un sistema innovativo non determina cambiamenti a tale
processo.
In definitiva, considerando che la manutenzione ha due scopi principali:
1. riparare guasti;
2. impedire la loro insorgenza;
in questo studio l’attenzione è stata posta sul primo aspetto ponendo in evidenza l’efficacia del
progetto di un innovativo sistema di stabilizzazione e come esso possa determinare riduzioni
significative del costo di manutenzione.
Nello studio in esame, come già accennato, si è preso in considerazione il costo di manutenzione
dovuto ad interventi straordinari causati da guasti al sistema di stabilizzazione. Nello specifico il
guasto al sistema riguarda il danneggiamento e, quindi, la necessaria sostituzione dell’attuatore. Dai
dati statistici analizzati emerge che mediamente nell’arco temporale di un anno gli interventi
manutentivi all’impianto di stabilizzazione di un battello a sostentamento alare risultano essere pari a
quattro. Tali interventi rappresentano la maggiore parte degli interventi di manutenzione straordinaria
comportanti la messa in secco del battello con un consistente periodo di permanenza in cantiere.
Considerando, per una generica compagnia di navigazione, un costo medio di alaggio e varo a lavori
ultimati pari a euro 3.000, un costo giornaliero di euro 100 connesso alla presenza in cantiere del
battello, mediamente di 10 giorni, ed un costo indotto legato all’indisponibilità temporale del mezzo
calcolato considerando la redditività media giornaliera di un natante, determinata in euro 5.000, si è
calcolato un costo annuo di manutenzione per battello, dovuto al guasto del sistema di stabilizzazione
pari a:
Tabella 1: riepilogo voci di costo per manutenzione battello
Voce di costo
Costo alaggio e varo
Costo fermo mezzo
Costo indotto
Costo proprio manutenzione
Totale costo
Costo
[euro]
12.000,00
4.000,00
200.000,00
8.000,00
224.000,00
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L’analisi di tali costi evidenzia che la voce più significativa è costituita dal costo indotto che
rappresenta essenzialmente la perdita di redditività del mezzo in termini di mancata emissione di
biglietti e riduzione dei contributi in conto esercizio.
Risulta, quindi, evidente la criticità del sistema di stabilizzazione dal punto di vista dei costi e ciò
giustifica lo studio intrapreso per una radicale modifica dell’impianto di comando dei flap alari di
stabilizzazione al fine di un abbattimento dei costi di manutenzione.
4. SOLUZIONE PROGETTUALE PROPOSTA
Al fine di porre i cilindri attuatori di comando dei flap all’interno dello scafo è stato studiato e messo a
punto un sistema cinematico che consiste in un manovellismo di spinta non centrato azionato da un
attuatore oleodinamico a doppio effetto posto al di sopra della linea di galleggiamento e all’interno di
una apposita struttura metallica (Figura 3).
Figura 3: Meccanismo completo di movimentazione flap
Il sistema costituito da un’asta e un manovellismo di spinta converte lo spostamento assiale dello stelo
del pistone idraulico nella rotazione del flap.
L’ottimizzazione della struttura alare prevede che i due profili alari che si dipartono dal pilone centrale
(particolare A di Figura 3), siano leggermente inclinati verso il basso (circa 8°), con disposizione ad
“ali di gabbiano”. In conseguenza di ciò, l’asse di rotazione del flap non coincide con l’asse
orizzontale del manovellismo di spinta. Si rende, quindi, necessario l’impiego di un giunto cardanico
doppio per effettuarne il collegamento (particolare A di Figura 4)
In particolare (Figura 4), l’attuatore oleodinamico movimenta un’asta guidata assialmente da boccole a
strisciamento. Tramite un sistema biella-bilanciere il moto è trasmesso ad un albero scanalato la cui
estremità, rivolta al flap, è collegata al doppio giunto cardanico.
Per problemi correlati alla realizzazione pratica della brocciatura del profilo scanalato sul bilanciere, lo
stesso è stato ricavato su un manicotto con profilo esterno poligonale unificato che a sua volta è stato
posizionato in una sede ricavata sul bilanciere stesso (particolare B di Figura 4).
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Figura 4: (A) Sistema di movimentazione flap; (B) manicotto a profilo poligonale posizionato sul
bilanciere
Per lo sviluppo di tale sistema di comando si è dovuto tener conto della criticità legata alla necessità di
trasmettere elevate azioni torcenti (3.000 Nm) in uno spazio limitato per l’alloggiamento delle
componenti del sistema di trasmissione. Infatti, l’esigenza di ottimizzare i flussi idrodinamici, nella
zona di collegamento delle ali al pilone centrale, ha imposto di progettare un giunto cardanico (Figura
5) di ingombro radiale ridotto. L’impossibilità di utilizzare un giunto cardanico di tipo “tradizionale”,
inoltre, ha condotto alla progettazione e realizzazione di un giunto cardanico smontabile in cui le
crociere possono essere facilmente rimosse grazie all’allontanamento dei bulloni (Figura 5).
Figura 5: Vista esplosa del giunto cardanico doppio progettato.
4.1. Materiali utilizzati
I componenti del meccanismo di movimentazione del flap dell’ala sono realizzati interamente in
acciaio inossidabile ad eccezione dei cuscinetti a strisciamento del giunto cardanico, delle guide
dell’asta del meccanismo e dell’albero scanalato.
I componenti del doppio giunto cardanico, l’albero scanalato e il manicotto scanalato sono stati
progettati e realizzati in acciaio inossidabile AISI 420 [6], temprato e rinvenuto con tensione di
snervamento superiore a 1200 MPa. L’acciaio tipo AISI 420 presenta, infatti, tra i martensitici, le
migliori caratteristiche di resistenza alla corrosione allo stato temprato e disteso a bassa temperatura,
con superfici lucidate a specchio.
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Il bilanciere, i perni del manovellismo, l’asta di biella e l’asta di azionamento sono stati progettati e
realizzati in acciaio inossidabile austenitico tipo AISI 316 [7].
Le boccole di strisciamento utilizzate per la guida per l’asta del meccanismo e per l’albero di
trasmissione del moto sono state previste in materiale composito con armatura in acciaio e strato
superficiale di bronzo sinterizzato; presentano strato di copertura di PTFE con additivi antiattrito (5-30
μm) e sono utilizzate nelle applicazioni caratterizzate da ridotte velocità o limitati movimenti angolari.
I cuscinetti a strisciamento del giunto cardanico sono previsti in bronzo UNS96700.
4.2. Sistema di carico e vincoli. Considerazioni sui carichi applicati
Nella seguente Figura 6, si è riportato lo spostamento dell’asta dell’attuatore oleodinamico in funzione
della posizione angolare dei flap, calcolato mediante semplici considerazioni cinematiche.
Figura 6: Spostamento relativo dell’asta di carico in funzione dell’angolo di rotazione del flap
Il sistema di forze agenti sugli elementi che compongono il meccanismo dipende dalle diverse
configurazioni geometriche assunte dal cinematismo durante il suo funzionamento.
Come sopra osservato, da studi fluidodinamici relativi al sostentamento del battello risulta che la
condizione di carico più severa è quella relativa a una posizione angolare del flap pari a -10° come
mostrato in Figura 7. In questa configurazione il meccanismo deve fornire un momento torcente
massimo di 3.000 Nm all’asse di rotazione del flap.
Figura 7: Angolo di inclinazione del flap e relativo momento torcente nella configurazione di carico
più gravosa
4.3. Analisi numeriche
Le analisi strutturali sono state condotte in ambiente ANSYS WorkBench. La modellazione solida è
stata realizzata mediante il software SOLIDWORKS. L’intero meccanismo è stato discretizzato con
elementi esaedrici.
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Le superfici accoppiate del meccanismo sono state modellate utilizzando opportuni elementi di
contatto. Sono stati utilizzati contatti di tipo “bonded” [8] tra gli elementi per i quali non è previsto
movimento relativo e contatti di tipo “frictional” nel caso di componenti tra i quali è possibile il
contatto di strisciamento.
L’analisi del sistema è stata effettuata prendendo in considerazione due sottosistemi per ridurre i tempi
di calcolo:
1. Sistema biella-bilanciere-albero scanalato.
2. Giunto cardanico.
Per ciascun sistema sono state definite opportunamente le condizioni di carico e vincolo.
Il primo sottosistema è vincolato tramite l’imposizione di spostamenti e rotazioni nulle sulle superfici
esterne delle boccole; è stato, inoltre, bloccato lo spostamento assiale dell’asta. Il momento torcente è
stato direttamente applicato alla flangia dell’albero scanalato.
Il secondo sottosistema prevede che il giunto cardanico sia vincolato sulle facce dell’albero poligonale
ed il carico sia applicato alla flangia.
Nella seguente Figura 8 sono mostrati i particolari della discretizzazione adottata per alcuni
componenti.
Figura 8: Particolari della discretizzazione: (A) albero scanalato, (B) giunto cardanico.
La seguente Figura 9 mostra gli andamenti delle tensioni di Von Mises per i componenti più sollecitati
del sistema.
Figura 9: Tensioni di Von Mises: (A) Manovella, (B) albero scanalato, (C) giunto cardanico.
I punti di picco delle tensioni di Von Mises sono presenti in prossimità del raggio di raccordo alla base
del profilo poligonale del bilanciere e del raggio di raccordo della crociera del giunto cardanico. Le
tensioni di contatto sui cuscinetti a strisciamento assumono valore inferiore alle tensioni ammissibili
del materiale con cui sono realizzate le boccole.
Dall’analisi effettuata, si evince che la struttura si comporta globalmente in maniera uniforme, con uno
stato tensionale al di sotto del limite di snervamento dei materiali scelti.
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5. CONCLUSIONI
L’analisi degli interventi manutentivi su battelli a sostentamento alare ha posto in evidenza la notevole
criticità rappresentata dal sistema di comando dei flap alari. Tale criticità è essenzialmente dovuta
all’attuale posizionamento “in acqua” degli attuatori dei flap. Analizzati i costi derivanti dagli
interventi straordinari su tali impianti si è riconosciuta la notevole entità degli stessi. La raccolta di
dati statistici per fissati periodi temporali sicuramente potrebbe contribuire ad approfondire questo
aspetto tramite la determinazione di modelli manutentivi preventivi e/o predittivi. In ogni caso, in
questo studio, è perseguito l’obiettivo di ridurre l’indisponibilità accidentale che si manifesta quando il
sistema di stabilizzazione è soggetto, durante l’utilizzo del battello, a guasto. Ciò comporta, per ogni
battello a sostentamento alare in possesso del sistema di stabilizzazione proposto, un costo annuo di
manutenzione, per interventi straordinari sugli attuatori, inferiore rispetto al costo oggi determinato
dall’uso dei tradizionali sistemi di stabilizzazione
In aggiunta, il sistema di comando proposto consente di raggiungere un importante obiettivo di
salvaguardia ambientale poiché elimina ogni possibilità di pollution in mare per fuoriuscita di liquido
del circuito oleodinamico.
Tali considerazioni giustificano pienamente lo studio condotto per la progettazione e realizzazione di
un innovativo sistema di comando al fine di risolvere alla radice le problematiche dei sistemi attuali. Il
nuovo sistema di comando, che prevede l’impiego di materiali speciali e particolari trattamenti termici
su di essi, è stato validato dal punto di vista strutturale, tramite moderne tecnologie di analisi discreta,
al fine di garantire l’integrità e la conseguente sicurezza del battello.
BIBLIOGRAFIA
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Edward V. Lewis (ed), Jersey City, New York (1989).
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Odd M. Faltinsen, Hydrodynamics of High-Speed Marine Vehicles, Cambridge University
Press (2005).
A. Moland, S. Turnock, Marine rudders and control surface, Butterworth-Heinemann, Oxford
(2007).
ENEA, Analisi tridimensionale del campo fluidodinamico relativo al T-Foil durante la
navigazione, Dipartimento FIM (2007).
IMS S.p.A., 1.4021 (AISI 420).
IMS S.p.A., 1.4401 (AISI 316).
ANSYS Inc., ANSYS Workbench User’s Guide.