IDERPLANE è uno dei nuovi progetti finanziati dal programma europeo H2020 CleanSky2, coordinato dal Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano con la direzione scientifica del prof. Stefano Beretta. Topic Manager industriale è GE Avio, e partner del consorzio sono l’Università di Brescia (UniBS), INSA Lione, la Libera Università di Bolzano e il team di Argo Srl.
Le trasmissioni a elevate densità di potenza che devono essere progettate per moderni motori turbofan ad alta efficienza richiedono una massiccia applicazione di rotismi epicicloidali con planetari contenenti un cuscinetto integrato sull’anello interno della ruota dentata. Obiettivo principale del progetto è fornire criteri innovativi, validati sperimentalmente, per la progettazione e la verifica di planetari con cuscinetto integrato più affidabili di quelli che vengono attualmente progettati.
Questi componenti sono infatti soggetti a severe condizioni di Rolling Contact Fatigue -RCF- come altri componenti (ad esempio ruote/rotaie in treni alta velocità); la propagazione di microcricche superficiali costituisce il tipico danneggiamento in queste condizioni di esercizio. Tuttavia, confrontando con altre applicazioni come quelle ferroviarie, non vi è presenza di usura superficiale che rimuova il danneggiamento superficiale. In particolare, in alcuni casi specifici, le ruote planetarie sono state affette da cricche superficiali che hanno biforcato verso il corpo della ruota provocando una rottura completa. Le analisi di questi rari casi hanno mostrato una competizione tra cricche superficiali e quelle sub-superficiali sostenute dagli sforzi di taglio.

L’idea principale del progetto IDERPLANE è l’analisi di questo tipo di cedimenti non in termini di approccio ‘safe life’, ma sulla base di concetti di ‘damage tolerance’. Questo tipo di analisi è rivolto a capire/misurare il rischio di rotture catastrofiche nel caso di sviluppo di cricche sub-superficiali sostenute da sforzi di taglio. Potrebbe sembrare un approccio consolidato, ma RCF è un’area in cui vi sono pochi dati disponibili per tali analisi (che necessitano di dati consolidati in termini di curve di propagazione diverse per i diversi meccanismi di cedimento) perché è difficile ottenere una propagazione stabile delle fratture per effetto di sforzi di taglio.
Queste difficoltà rappresentano la forza e unicità del consorzio del progetto IDERPLANE, i cui partners hanno specifiche tecnologie abilitanti:

  • una metodologia di prova per riprodurre propagazione di microcricche in condizioni RCF (PoliMI);
  • test bi-disk per riprodurre propagazione sub-superficiale di cricche in condizioni RCF;
  • la possibilità di seguire e tracciare il percorso delle cricche tramite tomografia (raggi X e sincrotrone) da parte di INSA-Lyon;
  • analisi FEM del componente in condizioni reali (UNiBz) per poi validare le analisi di damage tolerance in una serie di prove su un banco full-scale (PoliMI).

L’approccio di progetto si basa su un’analisi preliminare di damage tolerance volta a identificare la dimensione massima dei difetti accettabili. Una precisa previsione del percorso della cricca (sotto l’effetto degli sforzi dovuti al contatto dei cuscinetto, all’ingranamento ed agli sforzi residui dovuti al processo) permetterà di valutare quindi l’affidabilità di un progetto e l’influenza dei diversi parametri.
La validazione dei nuovi criteri proposti sarà effettuata con una serie di prove full-scale soggette a carichi rappresentativi dell’esercizio, in presenza di danneggiamenti superficiali creati artificialmente. Le prove permetteranno altresì di testare nuove metodologie di monitoraggio, in particolare attraverso l’emissione acustica. Il progetto è stato avviato nel Novembre 2018 e si concluderà a Novembre 2021, e vede coinvolti al Dipartimento di Meccanica tre professori, un ricercatore RTDA, un assegnista e un dottorando, a cui si affiancheranno tesisti di laurea magistrale.