RICERCA ITALIANA     

Soluzioni innovative per la riduzione del consumo energetico di circuiti idraulici per trattrici agricole

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Abstract

Il programma di ricerca è dedicato allo sviluppo concettuale e progettuale dei principali sistemi idraulici presenti a bordo di trattrici agricole di media potenza (90-150 kW), nell'intento di determinarne un incremento dell'efficienza complessiva attraverso la riduzione della potenza da essi dissipata e l'ottimizzazione del loro rendimento totale di conversione dell'energia.
I circuiti idraulici oggetto dell'attività di ricerca risultano essere quelli che fanno parte del sistema di locomozione (powertrain) e che costituiscono il sistema di attuazione delle attrezzature portate o trainate (actuation e remote).
Il Programma di Ricerca è articolato in modo che le cinque Unità di Ricerca coinvolte propongano modifiche concettuali e progettuali che possano essere tra loro integrate a determinare un incremento complessivo delle prestazioni funzionali della trattrice stessa. L'ottimizzazione energetica del circuito di azionamento e controllo dei sistemi di trasmissione è suddiviso in due temi progettuali. Il primo, indicato come "power split transmission", è incentrato sullo sviluppo concettuale e progettuale di una trasmissione mista formata dal parallelo di una trasmissione idrostatica ed una trasmissione meccanica a rotismo epicicloidale. Il secondo, indicato come "full power shift transmission", riguarda lo sviluppo progettuale e l'ottimizzazione del controllo di trasmissioni meccaniche a comando idraulico, a frizioni multiple ed attuatori idro-meccanici.
L'analisi delle prestazioni energetiche del circuito idraulico di sollevamento interessa i sistemi idraulici destinati alla movimentazione dei carichi attraverso l'impiego di uno o più attuatori lineari. Attraverso lo sviluppo concettuale di possibili configurazioni circuitali alternative, ed il confronto delle prestazioni energetiche da queste mostrate con i circuiti di riferimento, si valutano soluzioni circuitali che possano superare i limiti imposti dalla logica di gestione di tipo load-sensing, e si sviluppano delle configurazioni di circuito atte a recuperare l'energia associata alle fasi di discesa dei carichi, ad oggi dissipata.
Infine, la definizione delle linee strategiche da studiare per ottenere un incremento del rendimento operativo del circuito di comando degli attuatori ausiliari è perseguita sia in relazione all'ottimizzazione del circuito funzionale che realizza l'attuazione, sia in funzione dell'ottimizzazione architetturale del singolo componente a comando e controllo elettro-pilotato, in modo che sia possibile ridurre l'assorbimento di potenza dal motore primo attraverso la riduzione complessiva delle dissipazioni caratteristiche del sistema in tutte le sue fasi operative.
Particolarmente rilevante appare l’approccio di ottimizzazione multi-obiettivo vincolata che viene dato alla generazione dei sottosistemi parziali in vista della loro integrazione nel veicolo, dove la gestione ottimale delle caratteristiche di interfaccia con la sorgente di potenza dovranno essere valutate alla luce della risposta all’interno di un modello virtuale della dinamica del veicolo. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Massimo Borghi Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca proposto si pone l'obiettivo di investigare possibili strade per ottenere un incremento delle prestazioni energetiche dei sistemi idraulici presenti a bordo delle trattrici agricole di media potenza (90-150 kW) e, in accordo con le linee guida progettuali tracciate nel report "Off-Highway Vehicle Technology Roadmap - U.S. Department of Energy" [www.trucks.doe.gov] che condizioneranno lo sviluppo tecnico del settore per tutto il prossimo decennio, vuole perseguire l'incremento delle prestazioni e la riduzione dei consumi mediante l'incremento generalizzato dell'efficienza dei suoi principali componenti di potenza.
Le trattrici agricole (e le macchine operatrici in genere) di taglia media, come quelle considerate nel presente progetto di ricerca, risultano di largo impiego in tutto il mercato mondiale. In particolare, la tematica proposta è di rilevante interesse nazionale, da un lato perché alcuni dei produttori maggiormente qualificati nel settore delle trattrici agricole e movimento terra operano in Italia, dall'altro perché buona parte della componentistica in esse utilizzata è di fabbricazione italiana. Lo standard qualitativo raggiunto dal comparto industriale nazionale nel settore risulta particolarmente elevato, in una continua evoluzione tecnica e tecnologica che ha portato la produzione italiana di componenti oleodinamici ad una incidenza di oltre il 13% del mercato mondiale (quarto produttore assoluto).
Il settore delle trattrici agricole considerato si trova ormai di fronte alla necessità di compiere un ulteriore grande passo in avanti nell'innovazione tecnologica dei propri prodotti: incrementare il rendimento di conversione dell'energia dei sistemi idraulici di attuazione e controllo del moto, riducendo ulteriormente la potenza dissipata e minimizzando la potenza richiesta ai motori primi ad essi collegati. Per rendere compatibile nel settore agricolo l'uso di veicoli industriali, infatti, le trattrici di prossima generazione dovranno adattare le proprie caratteristiche ai limiti funzionali imposti dal rispetto delle problematiche di impatto ambientale. In particolare, esse dovranno rispettare i limiti imposti dalle norme sulle emissioni allo scarico dei motori a combustione interna (ed in particolare, dei motori Diesel), che diverranno particolarmente restrittive anche nel settore dei macchinari industriali e dei veicoli agricoli. I motori primi industriali di prossima generazione, quindi, saranno caratterizzati da un consumo specifico ridotto, da un'efficienza termodinamica e globale ottimizzata e dalla presenza di tutte le apparecchiature indispensabili per l'abbattimento ed il contenimento delle sostanze inquinanti, con il risultato netto di poter rendere disponibile meno potenza meccanica per il trascinamento delle apparecchiature atte alla realizzazione delle lavorazioni agricole e di divenire estremamente sensibili alla variazione del punto di lavoro determinata dai circuiti di attuazione. Tali apparecchiature, a causa della medio-alta densità di potenza richiesta dal mercato, sono normalmente comandate mediante circuiti idraulici complessi, a gestione elettro-idraulica integrata, nei quali la modulazione della potenza avviene con rendimenti di conversione non ancora ottimizzati e in presenza di fenomeni dissipativi che portano parte della potenza a disperdersi sotto forma di calore. Nel prossimo futuro, di conseguenza, lo standard prestazionale e qualitativo raggiunto dalle macchine agricole potrà essere mantenuto ed innalzato solamente se, mediante un'opportuna evoluzione progettuale e sistemistica, risulti possibile sviluppare sistemi di attuazione a ridotto consumo energetico e ad alto rendimento di conversione, ottimizzando in maniera concorrente lo sfruttamento di potenza da parte di tutte le utenze.
Limitatamente ai sistemi idraulici, gli sforzi progettuali per ridurre la dissipazione della potenza possono essere concentrati sulle sezioni degli impianti maggiormente energivore, quali il sistema di trasmissione, il circuito di sollevamento dei carichi ed il circuito di attuazione degli attrezzi ausiliari; tuttavia l’ottenimento dei massimi risultati progettuali è possibile solamente attraverso l’integrazione dei risultati relativi alle singole sezioni in un unico ambiente che ne consenta l’ottimizzazione simultanea e globale, tenendo conto delle principali caratteristiche dinamiche del veicolo e del suo sistema di motorizzazione. Lo sviluppo del progetto, di conseguenza, se da un lato prevede l'ottimizzazione delle prestazioni di alcune soluzioni progettuali standard, dall'altro è incentrato sull'indagine teorica, numerica e sperimentale di diverse soluzioni alternative, in modo da percorrere tutte le strade indispensabili per guidare lo sviluppo di un insieme di attrezzature innovative ed efficienti, in grado di massimizzare lo sfruttamento energetico delle macchine anche in funzione delle caratteristiche del loro sistema di propulsione. Obiettivo non secondario di questo Progetto di Ricerca, infine, è quello di convogliare su un progetto comune, di ampia portata, l’attività di diversi Gruppi di Ricerca impegnati nello sviluppo tecnico-scientifico e nell'innovazione tecnologica del settore oleodinamico in Italia creando, in una rete nazionale di competenze dedicate al settore, un ambiente simulativo complesso, all’interno del quale sia possibile lo sviluppo, a livello di prototipazione virtuale, dei sistemi di bordo di macchine operatrici mobili. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati che è lecito attendersi dal progetto sono molteplici, e devono essere valutati alla luce del ruolo sostanzialmente complementare che tutte le U.R. svolgono durante tutta la durata del progetto. Se dal punto di vista dei contributi individuali delle unità di ricerca è lecito attendersi, nel corso della realizzazione del progetto, una serie non trascurabile di risultati parziali indipendenti, è dall’integrazione finale che si attende debba scaturire il contributo più significativo nel settore.
Infatti le attuali caratteristiche in materia di simulazione dinamica non lineare dei sistemi di trasmissione fluida sono connotate da un forte accento ai problemi di tipo controllistico e di dettaglio, ma raramente vengono affrontati in maniera sistematica i problemi legati alle interazioni dei differenti sottosistemi a livello di veicolo, tenendo anche conto delle caratteristiche peculiari del ciclo di lavoro e della dinamica della macchina operatrice. L’interazione con le caratteristiche del motore primo a monte della catena di trasferimento energetico e con la lavorazione finale al capo opposto, sono raramente state considerate in un ambiente di simulazione integrato, a maggior ragione quando queste si propongono di integrare i risultati di processi di ottimizzazione parziale come nel caso in esame. Dunque il principale risultato sarà in termini metodologici come approccio alla valutazione globale dell’efficienza in senso lato dell’impiego della macchina, ed in senso pratico la disponibilità di un modello, e delle linee guida generalizzate per il suo sviluppo, in cui il modello dinamico di veicolo colloqui efficacemente con i sottomodelli del sistema idraulico in un ambiente di co-simulazione basato su due fra i più diffusi strumenti numerici commerciali specializzati attualmente disponibili.
Oltre a questo obiettivo finale di carattere generale devono essere fatti notare i seguenti obiettivi parziali che saranno raggiunti dalle diverse U.R. nelle diverse fasi di articolazione della ricerca:
1. Generazione di modelli a parametri concentrati di circuiti di macchine operatrici reali.
2. Valutazione mediante fluidodinamica computazionale delle caratteristiche di dettaglio di alcune valvole di regolazione.
3. Valutazione delle possibilità di ottimizzazione dei singoli sottosistemi e generazione di know-how sull’applicabilità di tecniche di ottimizzazione avanzata ai sistemi in esame.
4. Sviluppo di modelli numerici di trasmissioni power-shift e power-split con validazione sperimentale degli stessi.
5. Generazione di un modello dinamico di macchina operatrice con le caratteristiche di “laboratorio virtuale” per lo studio di sottosistemi di potenza, locomozione e controllo e delle loro mutue interazioni in specifici profili di missione.
Gli obiettivi ed i prodotti indicati sono già significativamente in grado di rispondere ad esigenze specifiche di mercato, soprattutto tenendo conto delle pressioni legislative che il settore è destinato a subire nei prossimi anni e della sempre crescente attenzione ai problemi di risparmio energetico e di sostenibilità delle tecnologie. Anche dal punto di vista dell’incremento della conoscenza il prodotto atteso è assolutamente di rilievo, infatti al momento attuale non sono presenti esempi in cui il problema generale della valutazione delle prestazioni di una macchina nel suo impiego reale sia affrontabile per via numerica predittiva e, qualora completato con successo il progetto di ricerca, le linee di sviluppo di tale approccio sarebbero disponibili in forma facilmente generalizzabile.
Anche dal punto di vista dell’approccio alla ottimizzazione dei sottosistemi sono previsti significativi incrementi conoscitivi rispetto allo stato dell’arte attuale. Per quanto riguarda i sistemi load-sensing applicati a attuatori a bordo o remoti, lo studio della risposta ottimale e dell’efficacia degli interventi atti a porre rimedio a saturazione e interferenza, vedrà un approccio integrato dal punto di vista di:
1. strategia di controllo,
2. ottimizzazione vincolata multi - obiettivo (su un insieme di diverse decine di parametri),
3. interazione con lo studio di dettaglio della fluidodinamica interna per il controllo di coefficienti di efflusso e forze di flusso
Sebbene ciascuno di questi aspetti sia stato diffusamente trattato dalla letteratura scientifica specialistica, essi sono stati raramente utilizzati simultaneamente, e mai nella loro totalità.
Anche dal punto di vista dello studio dei sistemi di trasmissione della potenza ai fini della locomozione non mancheranno gli elementi utili a promuovere un avanzamento della conoscenza, infatti non si deve dimenticare che la linea di sviluppo delle trasmissioni di tipo idromeccanico power-split, benché nota fin dalla prima metà del secolo scorso, è sempre stata trascurata per via di un mai completamente risolto equivoco sulle modalità di definizione dei rendimenti globali nelle diverse applicazioni. In questo momento, la possibilità di definire una base solida di raffronto con una trasmissione di tipo power-shift, attualmente la più diffusa, e a sua volta oggetto di possibilità di miglioramento tramite la sintesi di opportune strategie di controllo delle attuazioni idrauliche delle frizioni i cui margini sono ignoti, costituisce sicuramente un significativo contributo all’avanzamento della base di conoscenze a cui un progettista può affidarsi per la complessa definizione dei parametri funzionali di una macchina operatrice.
La successiva procedura di integrazione dei modelli monodimensionali a parametri concentrati all’interno di un ambiente di simulazione dinamica del veicolo pone interessanti e stimolanti problemi di carattere metodologico e numerico, che a loro volta genereranno nuove competenze. La struttura delle equazioni descrittive dell’evoluzione temporale è fondamentalmente differente nei due casi (implicite e di tipo stiff nel primo caso, generalmente esplicite nel secondo), così some sono fondamentalmente differenti gli algoritmi necessari nei due casi. Il problema della co-simulazione è tutt’altro che banale e, nonostante alcuni trionfalistici proclami di molti sviluppatori di programmi commerciali, tutt’altro che risolto, sia in termini di risorse necessarie per la soluzione, sia in termini di strategie di integrazione. Benché non elencato fra gli obiettivi espliciti del progetto, questa fase costituirà uno snodo importante nella sua fase centrale e finale.
Il mercato di riferimento è quello delle macchine agricole e delle macchine operatrici in genere. Se ci si limita alla trattrice agricola (che rappresenta circa il 42% del mercato totale delle macchine agricole ed è sempre stato giudicato come indice della meccanizzazione in agricoltura), la produzione nazionale si è assestata negli ultimi anni al di sopra delle 80000 unità/anno, circa 60000 delle quali destinate all’esportazione. Il valore del mercato delle macchine agricole è pari a circa 7.2 miliardi di Euro, e rappresenta lo 0,5% dell’intero PIL nazionale, con un saldo positivo nella bilancia dei pagamenti superiore ai 3 miliardi di Euro e una stabile crescita negli ultimi anni di rilevamento.
Se a queste si aggiungono le circa 30000 unità di produzione di macchine movimento terra, con un valore della produzione vicino ai 3,5 miliardi di Euro, di cui il 50% destinato all’esportazione, otteniamo lo scenario di un settore assolutamente strategico per l’economia nazionale, e molto ben collegato alle attività dei gruppi di ricerca coinvolti. Il consolidato delle produzioni identifica dunque vicino all’1% del PIL il valore della produzione del settore delle macchine oggetto del progetto, a cui dovrebbe ulteriormente essere sommato il valore della componentistica idraulica e dell’indotto.
Le potenzialità applicative sono molteplici, e molte di queste, almeno in termini qualitativi, hanno già suscitato interesse industriale. Ambienti di sviluppo per il controllo delle trasmissioni sono necessari alla prototipazione delle centraline elettroniche delle macchine, e le possibilità di integrazione di tipo “hardware-in-the-loop”, benché non oggetto della proposta sarebbero immediato oggetto del suo trasferimento industriale. Tecniche adattate di ottimizzazione vincolata nella simulazione dinamica non lineare possono consentire lo sviluppo di architetture dei sottosistemi idraulici più efficienti e generare nuovi percorsi evolutivi nella progettazione. Lo sviluppo di una macchina-laboratorio virtuale e della corretta metodologia per il suo impiego, a sua volta costituisce una possibilità straordinariamente efficace per la valutazione predittiva della possibilità di introduzione di “disruptive technologies” nel settore, come per esempio l’adozione di motorizzazioni ibride o di celle di combustibile, senza dover necessariamente sostenere i proibitivi costi legati allo sviluppo di “concept” e prototipi scarsamente evoluti. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il notevole impulso imposto dallo sviluppo tecnologico che ha interessato, in questi ultimi decenni, tutti i settori industriali ha consentito una rapida e profonda evoluzione, nonché un incremento delle prestazioni, delle applicazioni idrauliche per macchine mobili. Il parallelo incremento della soglia di attenzione verso le problematiche di impatto ambientale, connesse alla gestione ed al controllo degli inquinanti derivanti dall'uso di motori endotermici alternativi quali motori primi, ed il contemporaneo incremento dei costi di approvvigionamento dei carburanti, ha da tempo reso necessario lo studio e lo sviluppo di sistemi di movimentazione e di attuazione dei veicoli agricoli che fossero efficaci dal un punto di vista della fase operativa del macchinario, ma anche efficienti dal punto di vista energetico. In questo ambito devono essere inserite le limitazioni introdotte dalle normative in materia di emissioni inquinanti allo scarico dei motori termici, ed in particolare dalla "EPA-TIER IV" che impone una revisione critica dei circuiti idraulici presenti su questo tipo di macchine, in modo da individuare soluzioni finalizzate al risparmio energetico (si veda il citato report "Off-Highway Vehicle Technology Roadmap - U.S. Department of Energy" [www.trucks.doe.gov]). Alla ricerca dell'ottimizzazione delle prestazioni operative proprie di un veicolo industriale, ed in particolare della trasmissione e modulazione della potenza idraulica disponibile ai vari circuiti idraulici, si è andata affiancando una sempre crescente attenzione verso la massimizzazione dei rendimenti connessi alla trasmissione della potenza stessa, in modo da minimizzare la potenza assorbita dal motore primo e limitare la potenza dissipata. Nelle macchine agricole, ed in particolare nelle trattrici agricole, i circuiti idraulici assorbono una parte significativa della potenza erogata dal motore. Ai classici circuiti idraulici di potenza (di sollevamento e di attuazione degli ausiliari) e di lubrificazione, infatti, si sono andati affiancando altri sistemi complessi, quali quello per la gestione della trasmissione e della trazione, quello per la gestione dell'assetto o di sterzatura. Per quanto concerne i circuiti idraulici di potenza (di sollevamento e di attuazione degli ausiliari), il principio load-sensing da oltre un decennio costituisce la logica di funzionamento che, tra tutte quelle possibili, permette di progettare e realizzare sistemi in grado di assecondare in modo flessibile e sufficientemente accurato le esigenze di movimentazione e di modulazione derivanti dalla variabilità delle condizioni operative imposte agli attuatori idraulici presenti su una trattrice agricola. Per ovviare ad alcuni malfunzionamenti caratterizzanti i circuiti load-sensing nelle condizioni operative "non standard" (quali ad esempio la saturazione di portata durante il funzionamento contemporaneo di diverse utenze), negli ultimi anni la tipica architettura dei componenti load-sensing è andata evolvendo nella direzione delle soluzioni meccatroniche, nelle quali il mutuo funzionamento di macchine volumetriche a cilindrata variabile e di componenti di regolazione a posizionamento continuo risulta essere gestito da un network di centraline elettroniche alle quali risultano affidati i compiti di monitoraggio, elaborazione e applicazione dei segnali di comando e controllo di tutti i componenti coinvolti. In questo quadro, la maggior parte degli sforzi di ricerca e sviluppo sono fondamentalmente concentrati lungo due direttrici principali. La prima, che pone l'attenzione sull'ottimizzazione funzionale di macchine volumetriche a cilindrata variabile, è sostanzialmente focalizzata nello sviluppo "elettronico" di sistemi di comando e controllo elettro-idraulico i quali siano in grado, sfruttando la sempre crescente
sensibilità e prontezza dei sistemi di acquisizione ed elaborazione, di sostituire la propria capacità di modulazione della potenza idraulica a quella introdotta dalle valvole direzionali a posizionamento continuo a compensazione del carico. La seconda linea di sviluppo si propone di gestire l'evoluzione del sistema load-sensing verso un prodotto meccatronico integrato che, senza prescindere dalle caratteristiche operative dei componenti di regolazione proporzionali indispensabili per la gestione del sistema in tutte le sue fasi operative, sia in grado di ridurre l'assorbimento di potenza dal motore primo attraverso la riduzione complessiva delle dissipazioni. In particolare, gli sforzi maggiori risultano concentrati nello sviluppo e nella messa a punto di valvole di regolazione proporzionali innovative ed a ridotta dissipazione, nello sviluppo concettuale di nuove soluzioni circuitali per il pilotaggio compensato, nella riprogettazione delle valvole di controllo per la gestione degli attuatori durante le fasi critiche, nonché nello sviluppo funzionale di nuovi gruppi di generazione della potenza idraulica.
Lo studio di configurazioni del sistema di trasmissione che consentano la riduzione della potenza termica installata ed abbiano una maggior efficienza e flessibilità rappresenta un filone di ricerca di assoluto impatto sulle problematiche energetiche. La prima direzione di ricerca chiama in causa i sistemi ibridi di trasmissione, che stanno trovando applicazione sia in campo automobilistico sia nel trasposto urbano. La seconda direzione di ricerca ha come oggetto lo studio di trasmissioni "classiche" ad alta efficienza. Una prima soluzione potrebbe essere rappresentata da trasmissioni tipo "power split", cioè da trasmissioni combinate composte da una unità idrostatica e da una unità meccanica epicicloidale, a costituire una apparecchiatura di trasferimento della potenza dal motore alla trazione e agli ausiliari, di incrementata efficienza. È noto, infatti che la trasmissione idrostatica, a fronte della sua notevole flessibilità operativa, presenta un rendimento minore rispetto a quello di una trasmissione meccanica ad ingranaggi (0.78-0.85 contro 0.93-0.95) . La trasmissione "power split" tenta di conciliare gli aspetti positivi di entrambe le soluzioni: alta efficienza e alta flessibilità. L'unità epicicloidale connessa con l' unità idrostatica consente di trasmettere la potenza parte sotto forma idraulica e parte sotto forma meccanica, in dipendenza della cilindrata che si impone alla pompa della unità idrostatica; allo stesso modo la velocità dell'albero in uscita può essere variata gradualmente in dipendenza della cilindrata della pompa. Poiché la trasmissione epicicloidale ha due gradi di libertà, è possibile variare la velocità dei due alberi indipendentemente; in questo modo la velocità del motore termico è sganciata da quella dell'utilizzatore e può essere stabilita nell'intorno delle condizioni di massimo rendimento e minime emissioni. In alternativa, è possibile dotare la trattrice agricola di una trasmissione di tipo "power shift", nella quale la trasmissione ed il controllo della potenza indirizzata agli organi di movimentazione vengono gestite per via idraulica. L'applicazione specifica di queste trasmissioni alle trattrici, specie nel campo delle medie potenze (90-150 kW), è resa difficoltosa dalle problematiche inerenti alla gestione del comportamento dinamico dei sistemi idraulici, dall'interazione di tali comportamenti con la risposta dinamica di pneumatici e frizioni meccaniche alle sollecitazioni provenienti, rispettivamente, dall'ambiente e dall'utente e, per finire, dai transitori termici che interessano sia la componente idraulica, sia quella meccanica.
Lo stato dell’arte attuale vede solo tentativi parziali, e limitati a settori applicativi diversi da quello evidenziato (principalmente automobilistico e militare), di integrazione delle procedure di ottimizzazione parametrica dei sottosistemi in un modello globale di dinamica del veicolo che consenta un approccio realistico alla prototipazione virtuale dell’intera macchina operatrice. <<<