RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA - INGEGNERIA MECCANICA E CIVILE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Massimo Borghi

Descrizione

Il programma dell'Unità di Ricerca dell'Università di Modena e Reggio Emilia è strutturato in modo da permettere, nell'arco dei due anni, di definire alcune linee strategiche per incrementare il rendimento operativo e ridurre le dissipazioni energetiche di circuiti di comando degli attuatori ausiliari di trattrici agricole di media potenza (90-150 kW). Il compito che l'Unità di Ricerca di Modena e Reggio Emilia intende svolgere riguarda l'ottimizzazione energetica sia del circuito funzionale che realizza l'attuazione, sia del singolo componente a comando e controllo elettro-pilotato, con l'intendimento di accompagnare l'evoluzione complessiva del circuito con un approccio integrato che, non prescindendo dall'ottimizzazione delle caratteristiche operative dei singoli componenti, sia in grado di ridurre l'assorbimento di potenza dal motore primo attraverso la riduzione complessiva delle dissipazioni caratteristiche del sistema in tutte le sue fasi operative. Da un punto di vista generale, l'obiettivo principale delle attività che l'Unità di Ricerca intende svolgere è quello di fornire un insieme di interventi sistemistici, funzionali, progettuali ed architetturali atti a ridurre i fenomeni dissipativi caratterizzanti il funzionamento stazionario e dinamico di un tipico circuito di azionamento attuatori ausiliari. Le attività possono essere sostanzialmente suddivise in due macro-aree. La prima, dedicata agli studi teorico-numerici caratteristici del Computer Aided Design, vede l'utilizzo combinato di strumenti di progettazione assistita tra loro sinergici e complementari (analisi stazionaria, analisi dinamica e Computational Fluid Dynamics) per la previsione a calcolo delle prestazioni e per la verifica comparata dei rendimenti di conversione di soluzioni circuitali e sistemistiche alternative. La seconda, indispensabile per una corretta impostazione delle attività e per una congruente verifica dei risultati conseguiti, appartiene al campo del monitoraggio "on field" delle prestazioni e dei flussi di potenza propri delle configurazioni del circuito idraulico oggetto dello studio. Il programma di ricerca qui proposto, di conseguenza, è strutturato su livelli differenti, tra loro complementari. Ad esempio, all'analisi del comportamento stazionario e dinamico di un circuito idraulico tipico di una trattrice agricola di media potenza dovrà corrispondere l'analisi dei flussi di potenza scambiati tra circuito e motore primo; alla previsione del rendimento di conversione dell'energia tipico della soluzione circuitale scelta dovrà corrispondere un'analisi delle caratteristiche di conversione proprie di soluzioni circuitali alternative; allo studio delle caratteristiche di funzionamento stazionario e dinamico dei principali componenti di regolazione coinvolti (ed in particolare dei distributori proporzionali), ed alla previsione delle dissipazioni di potenza corrispondenti alle configurazione architetturali assegnate, dovranno corrispondere sia l'ottimizzazione di tali architetture che la verifica dell'impatto di architetture differenti sul funzionamento del sistema. A questo punto sembra opportuno introdurre le caratteristiche fondamentali di un tipico circuito idraulico di gestione degli attuatori ausiliari di una trattrice agricola appartenente alla gamma di media potenza, in modo che risulti di più immediata comprensione la successiva fase di dettaglio delle varie attività previste per questo programma di ricerca. Il circuito di gestione e controllo degli ausiliari di tali macchine agricole si configura come un classico circuito load-sensing a pilotaggio elettro-idraulico, a comando sia manuale che elettrico, e concepito per la gestione simultanea di più attuatori, sia lineari che rotativi. Pur trattandosi, nelle realizzazioni industriali correnti, di un sistema idraulico dal lay-out sufficientemente complesso, le sue caratteristiche funzionali principali possono essere schematicamente introdotte anche in riferimento ai circuiti semplificati seguenti.



- FIGURA 1

Con riferimento alla Figura 1, il gruppo di generazione di potenza idraulica è costituito da una macchina volumetrica operatrice a cilindrata variabile per applicazioni in circuito chiuso (OP1), con grado di regolazione della cilindrata idraulicamente controllato mediante le valvole proporzionali OV1 ed OV2. La prima, OV1, svolge la funzione di compensazione della portata, secondo il classico approccio della logica load-sensing (segnale pilota 2), mentre la seconda, OV2, svolge la propria azione come compensatore di pressione in modo da mantenere limitata la massima pressione lungo la linea di mandata della macchina volumetrica (linea 1). Completano il sistema la valvola limitatrice di pressione OV3, la macchina volumetrica operatrice a cilindrata fissa OP2 che, aspirando dal serbatoio a pressione atmosferica OZ1 e trascinata dallo stesso albero motore di OP1, svolge la funzione di pompa di alimentazione della pompa primaria (OP1), e la valvola di non ritorno OV4, che impone sul ramo di aspirazione della pompa primaria la minima pressione di funzionamento. La linea di mandata della pompa primaria, (1), alimenta il blocco di potenza della trattrice, cioè quella zona centrale del circuito idraulico che vede in parallelo tutte le utenze che permettono all'operatore di eseguire le varie lavorazioni agricole. In una sua configurazione standard, una trattrice agricola presenta fino a quattro utenze ausiliarie, le cui fasi operative risultano gestite e controllate da un blocco di distribuzione come quello rappresentato in Figura 2.



- FIGURA 2

Il cuore di ogni blocco di distribuzione è rappresentato dal distributore proporzionale a 6 vie 1V15, il quale presenta, oltre alle classiche tre posizioni notevoli caratteristiche dell'architettura load-sensing, una posizione supplementare detta "di floating". La condizione di apertura del distributore viene definita, a modulare la potenza idraulica indirizzata all'utilizzatore (un martinetto, nel caso di Figura 2), mediante pilotaggio idraulico esterno. Le valvole 1V16, 1V17 e 1V18, integrate nel corpo principale del distributore, assolvono rispettivamente le funzioni di non ritorno pilotata (a comando meccanico), di non ritorno primaria e di compensatore locale (riduttrice di pressione a taratura variabile), mentre alla valvola selettrice 1V19 è affidato il ruolo di selezionare il segnale pilota da indirizzare alla linea di pilotaggio load-sensing. Come mostrato dallo schema funzionale del distributore proporzionale 1V15, la regolazione della portata è sostanzialmente del tipo "meter-in", soluzione che comporta l'incapacità del sistema di rispondere adeguatamente alle esigente dell'utilizzatore in presenza di carichi trascinanti ad esso applicati. In particolare, infatti, a seguito del segnale di bassa pressione indirizzato dalla selettrice al circuito di pilotaggio load-sensing, il circuito di pilotaggio imporrà una riduzione della cilindrata alla pompa primaria, realizzando una regolazione esattamente contraria alle esigenze dell'attuatore. Inoltre, come evidente in Figura 2, la portata indirizzata dal sistema all'attuatore idraulico è forzata ad attraversare due volte il distributore principale, i due componenti di sostentamento del carico ed il compensatore locale. Le perdite di carico caratteristiche del circuito di alimentazione di un attuatore ausiliario sono, anche in una condizione operativa standard, particolarmente elevate, ed impongono una indesiderabile dissipazione di potenza idraulica. Da quanto brevemente illustrato, è possibile concludere che l'incremento del rendimento complessivo della trasmissione di potenza del circuito ausiliario possa essere realizzato rivedendo l'architettura ed il principio di funzionamento sia di ogni singolo distributore proporzionale, sia dell'insieme delle valvole di regolazione e sicurezza ad esso collegate che determinano istantaneamente il grado di parzializzazione della cilindrata della pompa primaria e, di conseguenza, la potenza istantanea da questa assorbita dal motore primo. In relazione a quanto sopra brevemente illustrato, il programma dettagliato delle attività svolte dall'Unità di Ricerca dell'Università di Modena e Reggio Emilia è suddivisibile in quattro fasi, meglio illustrate nel seguito.
FASE 1 (dal mese 0 al mese 6)
La prima fase dell’attività sarà dedicata alla valutazione delle caratteristiche energetiche e del rendimento di conversione di un tipico circuito di gestione degli attuatori ausiliari di una trattrice agricola di media potenza. Si provvederà dunque allo sviluppo ed alla messa a punto di un modello a parametri concentrati e distribuiti di un circuito di corrente impiego nella pratica industriale, con lo scopo di studiarne il comportamento dinamico nelle diverse condizioni operative, sia nel funzionamento di una singola utenza, sia nel funzionamento contemporaneo di più utenze. A tale scopo risulterà necessario studiare il comportamento stazionario e dinamico dei singoli componenti costituenti il sistema, con particolare attenzione alla definizione delle condizioni di funzionamento dei distributori proporzionali e dei componenti di regolazione utilizzati per la modulazione della potenza indirizzata agli attuatori idraulici e per la regolazione della cilindrata della pompa principale. In questa parte dell’attività verranno utilizzati diversi strumenti di calcolo sinergici tra loro in modo da rendere possibile sia la caratterizzazione stazionaria dei componenti (modellazione solida e CFD 2D e 3D), sia la loro modellazione dinamica. La prima fase si concluderà da un lato con la verifica dell’accuratezza raggiunta dalle previsioni a calcolo, da effettuarsi mediante una campagna sperimentale eseguita direttamente su una trattrice strumentata, dall’altro con la definizione dei parametri energetici propri del sistema a fronte delle varie attuazioni imposte alle utenze.
FASE 2 (dal mese 6 al mese 12)
La seconda fase dell’attività di ricerca verrà concentrata sulla definizione e sulla modellazione di sistemi idraulici alternativi a quelli attualmente utilizzati nei circuiti industriali ed alla valutazione del loro rendimento di conversione. Tale attività prenderà le mosse da una rivisitazione del circuito iniziale, paragonando concetti di attuazione e modulazione della potenza differenti tra loro ed avrà uno sviluppo fortemente concentrato sulla attività numerica e sul confronto tra le prestazioni ottenibili dalle diverse configurazioni prese in considerazione. Anche in questa fase verranno utilizzati diversi strumenti di calcolo sinergici tra loro in modo da rendere possibile sia la caratterizzazione stazionaria dei componenti (modellazione solida e CFD 2D e 3D), sia la loro modellazione dinamica. E’ intenzione dell’Unità di Ricerca destinare parte delle attività di questa fase e di quella successiva anche ad una verifica sperimentale dei risultati ottenuti qualora risultasse possibile costruire in tempi ragionevoli un prototipo di circuito rispondente alla configurazione energeticamente più promettente.
FASE 3 (dal mese 12 al mese 20)
Al termine del primo anno di attività, tutte le Unità di Ricerca avranno prodotto la sintesi e la modellizzazione, in un ambiente di calcolo comune, dei sistemi di loro interesse. Successivamente, in un lavoro congiunto e coordinato al quale tutte esse parteciperanno, prenderà avvio la fase di integrazione dei modelli e verrà avviata la costruzione di un modello completo dell’intero sistema veicolo, ad opera principalmente dell’Unità di ricerca del CNR/Imamoter, che dovrà evidenziare e quantificare i possibili miglioramenti dell’intero sistema globale.
Contemporaneamente, l’Unità di Ricerca dell’Università di Modena e Reggio Emilia parteciperà alla definizione di uno o di più cicli di lavoro che saranno adottati per la valutazione delle prestazioni energetiche dell’intero sistema veicolo; tale definizione verrà effettuata anche con il supporto e il contributo di aziende del settore.
Lo sviluppo della fase di realizzazione dell’ambiente virtuale di modellazione dell’intero veicolo, che avverrà dal mese 12 al mese 18, richiederà la contemporanea reiterazione, dal parte dell’Unità di Ricerca dell’Università di Modena e Reggio Emilia, del processo di messa a punto delle soluzioni individuate come alternative all’esistente, in modo da tenere in debito conto dell’interazione del sistema idraulico complessivo sia con l’ambiente di lavoro dal lato utenza, sia con il sistema di motorizzazione del veicolo. Nel secondo anno di attività (dal mese 14 al mese 20), parallelamente all’attività sopra descritta, l’Unità di Ricerca dell’Università di Modena e Reggio Emilia sarà impegnata nella progettazione funzionale di blocchi di distribuzione a bassa dissipazione energetica per il controllo del moto di utilizzatori in parallelo, concentrando l’attenzione sulla riduzione della dissipazione di energia connessa alla modulazione di portata caratteristica dei componenti proporzionali di comando e controllo degli attuatori ausiliari.
Si presterà particolare attenzione all’ottimizzazione delle prestazioni sia dei distributori principali, sia degli eventuali componenti di sicurezza e pilotaggio, con particolare riferimento alla minimizzazione delle dissipazioni energetiche relative ai transitori di modulazione. Dal punto di vista metodologico, anche questa fase risulterà sostanzialmente incentrata sull’analisi numerica del comportamento stazionario e dinamico dei componenti di regolazione considerati e l’eventuale verifica sperimentale delle prestazioni verrà riservata alle sole configurazioni architetturali maggiormente performanti.
FASE 4 (dal mese 20 al mese 24)
L’ultima fase del progetto riguarda la valutazione dei risultati e l’analisi comparativa di possibili strategie di controllo alternative, anche alla luce di possibili variazioni nella motorizzazione del veicolo.