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 PARMA - INGEGNERIA INDUSTRIALE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gian Luigi Berta

Descrizione

Il ricorso alle soluzioni oleodinamiche per lo svolgimento, anche simultaneo, delle diverse operazioni che caratterizzano il funzionamento delle trattrici agricole è a tutt'oggi massicciamente diffuso. Questo grazie ai recenti sviluppi della componentistica
idraulica e delle soluzioni circuitali adottate che, a differenza del passato, possono avvalersi dell'ausilio della gestione elettronica.
Tra i vari sistemi idraulici di cui è equipaggiato un moderno trattore per uso agricolo, di primaria importanza - essendo sempre praticamente presente - è il circuito per la gestione dei sollevatori posteriore e anteriore. Infatti, nelle comuni trattrici è sempre presente almeno il sollevatore posteriore, in versioni costruttive fino a tre punti di attacco, caratterizzato da una struttura il cui progetto risponde a vincoli dettati dalla normativa vigente. Tali sollevatori basano la movimentazione del carico attraverso l'impiego di uno o più attuatori idraulici lineari. Queste soluzioni frequentemente permettono l'oscillazione del telaio del sollevatore, al fine di consentirne il funzionamento con una data inclinazione rispetto alla trattrice.
Al fine di ridurre i costi complessivi e limitare le dissipazioni energetiche è consuetudine realizzare il circuito oleodinamico per la gestione dei movimenti del sollevatore non in forma dedicata, bensì come parte integrante dell'impianto idraulico complessivo della
trattrice che alimenta anche altre utenze ausiliarie e, talvolta, il sistema di sterzatura idraulico. Questo può avvenire anche nei particolari impieghi che prevedono l'applicazione sulla trattrice di bracci meccanici comandati da altri attuatori idraulici per la movimentazione di pale per la movimentazione di carichi.
Dal punto di vista dell'attività di ricerca che verrà svolta dall'unità di Parma lo studio di una parte di un sistema molto più complesso comporta la necessità di coordinarsi con le altre unità di ricerca, al fine di poter arrivare a proporre soluzioni alternative concretamente realizzabili. Una prima fase della ricerca sarà dedicata allo studio dei circuiti idraulici che devono asservire alle funzioni delle diverse tipologie di attuatori, i quali sono caratterizzati da specifiche e cicli di lavoro differenti. Infatti, mentre per il sollevatore posteriore le funzionalità comuni prevedono la gestione del traino di rimorchi agricoli o di macchine per la lavorazione del terreno (ad esempio aratri), l'eventuale equipaggiamento del sollevatore anteriore è più specificamente mirato alla movimentazione di pale (ad esempio spazzaneve) o di forche, mentre per i bracci meccanici di movimentazione a più attuatori si hanno soprattutto applicazioni di movimento terra. Queste diverse funzionalità caratterizzano i requisiti principali e la tipologia del controllo dei relativi circuiti idraulici.
A questo scopo una prima fase della ricerca deve essere mirata alla definizione dei cosiddetti carichi a cui sono soggetti gli attuatori del circuito. Ciò comporta l'individuazione di cicli di riferimento rappresentativi del funzionamento del circuito, su cui può esser basata la quantificazione dei principali parametri prestazionali del sistema. Più in dettaglio, per il sollevatore posteriore, dovranno esser definiti cicli rappresentativi delle operazioni di traino di semplici rimorchi agricoli o cicli più complessi riferiti ad esempio a particolari condizioni di aratura, che possono prevedere fasi in cui la potenza erogata dal circuito è costante, oppure fasi in cui deve essere mantenuta costante l'altezza del braccio del sollevatore rispetto al terreno, alternate con fasi di sollevamento e ricollocazione al terreno dell'aratro. Situazioni analoghe possono presentarsi nel caso dei sollevatori anteriori, mentre altri cicli di riferimento, relativi alla movimentazione di un carico, dovranno esser definiti per gli eventuali bracci a più attuatori (come ad esempio bracci escavatori).
La fase successiva del lavoro sarà incentrata sull'analisi delle principali soluzioni idrauliche attualmente impiegate sulle trattrici agricole, con particolare riguardo alle macchine della fascia di potenza pari a circa 100 kW.
Le soluzioni tipicamente utilizzate prevedono una gestione di tipo Load Sensing (LS) delle varie utenze asservite dal circuito, tra cui
quelle relative ai sollevatori idraulici, in cui le caratteristiche di funzionamento dell'unità di alimentazione (tipicamente una pompa
a pistoni assiali a cilindrata variabile) vengono adattate in base al carico imposto dalle utenze. Pur rappresentando un buon compromesso tra le esigenze di contenimento dei costi d'installazione e di riduzione del consumo energetico, l'impiego di una unica unità di alimentazione nel circuito comporta l'utilizzo di una sola linea LS, adattando l'erogazione della potenza fornita dalla pompa in base all'utenza istantaneamente più caricata. Ciò comporta l'impiego di valvole dissipative, dette "compensatori di pressione", con conseguente dissipazione energetica in prossimità delle altre utenze. Con questa filosofia i singoli utilizzi operano tra loro in parallelo, approvvigionandosi dallo stesso gruppo di alimentazione e interagendo con esso attraverso la linea LS e una valvola selettrice di pressione. Questa soluzione offre una discreta libertà di implementazione della singola utenza e del rispettivo sistema di controllo.
Tipicamente l'equipaggiamento di serie delle trattrici presenta più linee di utenza "remote", assieme a quelle già predisposte per i
sollevatori, dotate di distributori ausiliari a posizionamento continuo, per attuatori a doppio effetto, spesso dotati di posizioni
rigenerative della portata.
Le soluzioni circuitali attualmente utilizzate, almeno per quanto riguarda il sollevatore idraulico posteriore, hanno raggiunto
standard piuttosto consolidati: infatti, larga parte dei costruttori di trattrici agricole adotta una soluzione che opera le movimentazioni del sollevatore attraverso due valvole proporzionali distinte (una per il sollevamento, l'altra per la discesa)
comandate da solenoidi elettrici. Per la corretta movimentazione dell'apparato il circuito prevede anche ulteriori valvole che dal
punto di vista della funzionalità possono esser ritenute secondarie.
Come riferimento per la ricerca può esser considerata la soluzione largamente diffusa sulle attuali trattrici agricole
commercializzata da Bosch-Rexroth, nota con l'acronimo EHR (Electronic-hydraulic Hitch contRol). In questa soluzione il controllo dell'attuatore lineare avviene attraverso una centralina elettronica che consente la gestione ottimale del sollevatore nelle diverse possibilità di impiego, avvalendosi di vari sensori installati sulla trattrice che ne definiscono le condizioni istantanee di funzionamento. Infatti il rilievo della velocità del veicolo (attraverso un apposito "radar"), della velocità di rotazione delle ruote, dell'altezza del veicolo rispetto al suolo, dello sforzo resistente esercitato dall'elemento trainato dal sollevatore e della posizione dello stesso sollevatore consentono una gestione mirata al corretto funzionamento della trattrice in tutte le possibili condizioni di lavoro. Ad esempio, il controllo elettronico consente la marcia in condizioni di sforzo costante, adattando la profondità di collocazione dell'aratro, oppure permette di mantenere una profondità di aratura costante.
Con l'estensione del controllo elettronico all'intero circuito, secondo quanto comunemente indicato con la sigla "EDC" (Electronic
Draft Control), è possibile controllare sinergicamente la trazione del veicolo assieme al controllo del sollevatore agendo anche sulla
parte dell'impianto idraulico dedicata alla trazione.
Anche per il sollevatore anteriore, quando presente, possono essere adottate soluzioni quali EHR integrate con la gestione elettronica complessiva di controllo sulle condizioni di avanzamento della trattrice.
Per quanto riguarda le soluzioni adottate per i sollevatori a più bracci per la movimentazione dei carichi, il panorama delle
soluzioni circuitali attualmente utilizzato è più ampio, e comunque dipendente dalla tipologia della specifica applicazione.
Mentre per entrambi i sollevatori anteriore e posteriore i cicli di lavoro sono fortemente condizionati da fasi in cui il circuito
idraulico svolge funzioni di "asservimento", con limitate capacità di recupero energetico nelle fasi passive, nel caso dei circuiti per
la movimentazione dei carichi, come per il movimento terra, le possibilità di ricorrere a soluzioni circuitali ad alta efficienza
energetica sono senza dubbio più elevate. Questo in ragione anche del fatto che in questo ultimo caso, la coordinazione del
funzionamento del circuito idraulico con le condizioni di moto della trattrice sono meno rilevanti, se non del tutto trascurabili.
Dopo un esame approfondito delle più significative soluzioni attualmente impiegate nella gamma delle trattrici prese a riferimento, soprattutto dal punto di vista del consumo energetico nelle fasi passive di lavoro e nei cicli di riferimento inizialmente individuati, la ricerca si articolerà nell'esame di possibili soluzioni circuitali alternative. Questa fase sarà caratterizzata dall'analisi di soluzioni realizzabili dal punto di vista impiantistico che possano risultare convenienti, dal punto di vista delle efficienze energetiche globali.
In questa fase verranno valutate, soprattutto per quanto riguarda i sollevatori per la movimentazione dei carichi a più attuatori
lineari - il cui ciclo di lavoro tipico è frequentemente soggetto a fasi passive in cui è possibile il recupero energetico - soluzioni
circuitali indipendenti dall'insieme di utenze alimentate in parallelo con filosofia LS. In questo modo, pur introducendo un gruppo di alimentazione dedicato, può esser realizzato un controllo dell'utilizzo con una differente tipologia di regolazione della cilindrata della pompa evitando l'impiego di strozzamenti, con un conseguente risparmio energetico. L'impiego di martinetti differenziali, tipicamente utilizzati nei circuiti presi in esame in questo lavoro, si presta a realizzare inoltre soluzioni a circuito chiuso anche prive di trasformatori idraulici, adottanti accumulatori che consentono sia di equilibrare gli squilibri di portata nei diversi rami del circuito sia di effettuare recuperi energetici.
Per quanto riguarda le possibili alternative ai circuiti comunemente impiegati per i sollevatori anteriore e posteriore, verranno
esaminate eventuali ottimizzazioni dello schema d'impianto, prevedendo soluzioni che consentano un controllo ottimale del gruppo
di alimentazione, di limitare le dissipazioni energetiche attraverso gli strozzamenti e di effettuare recuperi delle quantità di energia
normalmente dissipate, almeno nei cicli di lavoro fortemente dissipativi.
Per le finalità previste nella ricerca si rende necessario l'impiego di uno strumento di calcolo che consente la simulazione del
funzionamento sia del singolo componente idraulico elementare sia dell'intero circuito. A tale scopo verrà prevalentemente utilizzato
il software di simulazione AMESim® il quale, pur essendo dotato di ampie librerie di componenti elementari standard, permette l'implementazione di ulteriori elementi, sia come composizione di blocchi standard, sia definendo direttamente le equazioni di governo in linguaggio C++.
Per una più accurata simulazione del funzionamento delle soluzioni che risulteranno essere più interessanti, dal punto di vista della funzionalità, dei costi e delle prestazioni energetice, sarà necessario non prescindere dalla stima del reale comportamento dei singoli elementi presenti nel circuito. Ciò comporterà una modellazione più dettagliata dei componenti più significativi, spesso non possibile attraverso le librerie standard del codice, che tenga conto degli effetti che caratterizzano l'efflusso reale nelle condizioni stazionarie e transitorie che si verificano al suo interno. A tale scopo si renderà necessaria anche una attività sperimentale, mirata alla validazione dei risultati dei modelli numerici sviluppati attraverso il confronto con i rilievi sperimentali.
In sintesi l'attività di ricerca si svolgerà in due fasi successive temporalmente collocabili al primo ed al secondo anno del progetto:

1) ANNO
Valutazione preliminare dell'efficienza energetica delle diverse soluzioni circuitali considerate nei cicli di lavoro di riferimento. In questa fase verrà considerata la modellazione semplificata del circuito facendo ricorso il più possibile ai componenti standard di
AMESim®, al fine di effettuare una prima stima macroscopica delle prestazioni dei circuiti idraulici considerati. L'analisi critica delle diverse soluzioni circuitali avverrà in collaborazione con le altre unità di ricerca al fine di definire quelle soluzioni circuitali che potranno interagire in modo funzionalmente corretto con il circuito idraulico complessivo, non ultimo valutazioni congiunte con le altre unità di ricerca permetteranno di prevedere quale vantaggio energetico è possile ottenere in termini di incremento percentuale dell'efficienza del sistema idraulico.
In particolare questa prima fase di attività si svolgerà in stretta collaborazione con l'unità di ricerca IMAMOTER la quale metterà a disposizione dati, schemi ed altre informazioni. IMAMOTER si farà carico di realizzare il modello complessivo dell'intero veicolo sulla base dei sottomodelli sviluppati dalle diverse unità operative, queste ultime dovranno operare in una stretta collaborazione al fine di rendere possibile l'integrazione dei codici sviluppati.

2) ANNO
Nella seconda fase dell'attività si procederà, per un numero limitato di soluzioni circuitali risultate ottimali dalla precedente analisi, con l'implementazione di modelli accurati per i componenti del circuito ritenuti più significativi. Lo sviluppo del codice sarà finalizzato a considerare correttamente gli effetti che caratterizzano l'efflusso reale (effetti di attrito con le pareti, dinamica dell'efflusso, effetti inerziali delle parti mobili, spinte del flusso sulle pareti, effetti di comprimibilità dell'efflusso, eventuale insorgenza di cavitazione).
In questa seconda fase sarà possibile ottimizzare il singolo componente fornendo importanti indicazioni progettuali al fine di limitare gli effetti che comportano un funzionamento diverso da quello ideale. Inoltre sarà possibile effettuare analisi dettagliate circa le interazioni tra il componente e l'intero circuito, mirate ad individuare soluzioni che possano limitarne gli effetti indesiderati.
Per le analisi che caratterizzano entrambe le fasi del lavoro si farà ricorso a tecniche di ottimizzazione avanzate, basate sulla
definizione e la successiva analisi di funzioni obiettivo, definite dal problema in esame. Tali tecniche sono mirate sia all'individuazione dei parametri progettuali a cui corrispondono i valori ottimi di tali funzioni, ma più in generale alla quantificazione dell'influenza che ogni parametro ha sul risultato.
La validazione dei modelli numerici sviluppati richiederà il supporto di dati sperimentali relativi a prove di caratterizzazione dei singoli componenti o relative al funzionamento dell'intero circuito. La caratterizzazione sperimentale dei singoli componenti verrà svolta presso il laboratorio del Dipartimento essendo disponibile al gruppo di ricerca un banco prova componenti oleodinamici dall'anno 2006. Il banco verrà attrezzato in modo da inserire i componenti oggetto dello studio in un circuito rappresentativo delle condizioni di funzionamento il più possibile vicine a quelle reali. Si provvederà inoltre a collocare tutti i sensori necessari allo studio, quali ad esempio: trasduttori di pressione, trasduttori di spostamento, sensori di temperatura, misuratori di portata, ecc. al fine di acquisire tutti i dati necessari sia alla verifica dei risultati di simulazione sia per verificare le effettive prestazioni dei componenti analizzati.