RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Consiglio Nazionale delle Ricerche - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Roberto Paoluzzi

Descrizione

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.
L’attività complessiva delle unità di ricerca è fortemente complementare, e mira all’individuazione delle configurazioni ottimali nella realizzazione di sottosistemi idraulici relativi al sistema di locomozione (power train della macchina) ed al sistema di attuazione delle attrezzatura portate o trainate dalla macchina (actuation e remote).
La condivisione della sorgente prima di potenza da parte di tutte le attuazioni concorrenti pone vincoli molto stringenti alla progettazione, e la valutazione in un ambiente quanto più possibile completo delle caratteristiche energetiche globali costituisce l’unico modo per guidare efficacemente le scelte progettuali senza incorrere nei grossolani equivoci che in passato hanno di fatto bloccato l’evoluzione di intere architetture circuitali a fronte di una presunta penalizzazione energetica rispetto a soluzioni concorrenti.
Nella parte iniziale dell’attività il contributo dell’Unità Operativa sarà di supporto alle attività svolte dalle altre in materia di studio di dettaglio delle condizioni di ottimizzazione sia dei flussi sia delle strategie di controllo dei sistemi load-sensing flow sharing, sia in termini di sintesi delle caratteristiche delle trasmissioni, sfruttando a questo proposito la conoscenza diretta del mercato di riferimento, la disponibilità, tramite l’accesso ai dati dell’unità staccata IMAMOTER di Torino (centro prove autorizzato OCSE per le trattrici agricole) e i numerosi contatti avuti negli anni con i maggiori costruttori di macchine agricole e veicoli fuoristrada in genere. Essendo l’obiettivo quello di generare un ambiente di simulazione di tipo concorrente, in cui i dati sulla dinamica del veicolo, sulle caratteristiche del motore primo e sulla trasmissione di potenza per via idraulica, concorrono a determinare le valutazioni di produttività, consumo specifico, emissioni e consumo energetico, questa fase preliminare dovrà anche servire alla messa a punto di una libreria di modelli di componenti e sistemi, che possano costituire il nucleo di dati validati necessari per la successiva integrazione globale.
Superata la fase iniziale, probabilmente di tipo iterativo, necessaria per la messa a punto dei modelli di componenti, sarà necessario passare alla fase di integrazione dei modelli all’interno di un modello di riferimento in grado di valutare la risposta dell’intero veicolo in un profilo di missione tipico dell’impiego reale. In questa fase si aprono diversi scenari possibili, in funzione della tipologia di programmi che si riterrà opportuno utilizzare. Il gruppo di ricerca di Imamoter ha già in passato affrontato, seppure in misura parziale, il problema dell’integrazione della risposta del veicolo nella valutazione prestazionale dei sottosistemi idraulici, secondo livelli di complessità crescenti:
1. Generazione di modelli analitici descrittivi dell’interazione del veicolo con l’ambiente di lavoro (lato utenza) e motore endotermico (lato alimentazione);
2. Generazione di modelli dinamici semplificati bi- o tridimensionali mediante strumenti di sviluppo dedicati
L’approccio che si vuole proporre in questo caso vede l’obiettivo di integrazione in co-simulazione di modelli dei sottosistemi idraulici e di dinamica del veicolo al fine di ottenere un ambiente integrato all’interno del quale valutare, con approccio multidisciplinare concorrente in un ambiente virtuale, le prestazioni globali attese. Deve essere fatto notare come, benché da più parti siano state da tempo indicate queste direttrici come l’obiettivo a cui deve puntare la progettazione virtuale assistita da calcolatore, le difficoltà numeriche e la specificità del settore applicativo specifico hanno di fatto finora limitato a pochi episodi parziali l’applicazione del concetto a livello internazionale. La sua fattibilità in relazione alle esperienze precedenti, alle risorse disponibili ed ai riferimenti ottenibili da settori affini a quello delle macchine operatrici sembra essere obiettivo raggiungibile.
Gli strumenti attraverso cui si prevede di poter raggiungere gli obiettivi previsti sono di fatto in larga misura disponibili presso le U.O. previste nella proposta. In termini di strumenti di simulazione di sistemi dinamici non lineari, ed oleodinamici cin particolare, presso tutte le U.O. è disponibile il software AMEsim (ora LMS-Imagine), garantendo in tale modo la potabilità e compatibilità dei modelli di componenti eventualmente sviluppati in modalità dipendenti dal software. Presso Imamoter è inoltre disponibile MSC-Easy5x, su cui sono state in passato effettuate numerose esperienze, e che si è mostrato idoneo sia come termine di raffronto consolidato, sia come strumento dedicato grazie ad alcune sua capacità di calcolo esclusive. Gli strumenti di una ottimizzazione multi-obiettivo e di una analisi parametrica di sensibilità sono disponibili in tutti gli ambiti simulativi, e la disponibilità, in una consolidata griglia di rapporti a rete dell’accesso a strutture dedicate di sperimentazione che possano consentire l’affinamento dei modelli dei componenti e la loro validazione, rendono solido lo scenario dell’investigazione iniziale. Deve essere anche fatto notare come, anche dopo la fase iniziale di analisi delle componenti principali del sistema idraulico trattate in questo progetto (power train e actuation-remote) e nel corso della loro integrazione nel modello dinamico della macchina, il contributo di tutte le U.O. non potrà ritenersi esaurito, essendo necessaria una valutazione iterativa del processo di ottimizzazione che presumibilmente porterà ad una più accurata valutazione dei miglioramenti ottenibili in termini di efficienza globale della macchina in cicli operativi simili a quelli che essa dovrà affrontare nella realtà, passando da architetture che, benché accuratamente studiate devono essere considerate sub-ottimali ad una prossima all’ottimo globale.
Benché i miglioramenti attesi rispetto alla tecnologia esistente, visto il carattere maturo del settore tecnologico di riferimento, non siano in termini assoluto rilevanti (si attendono alcuni punti percentuali sui rendimenti globali di ciclo operativo), proprio su questo aspetto deve essere posto l’accento per la valutazione dell’efficacia attesa dello studi, sulla sua finalizzazione in termini di tecnologia abilitante e sulla sua trasferibilità al mondo produttivo. L’interesse e la pressione legislativa al contenimento dell’impatto ambientale e alla sostenibilità sono già state evidenziate come elementi che nei prossimi anni renderanno indispensabile un incremento degli sforzi verso l’erosione anche marginale dei valori di efficienza energetica della trasformazione del combustibile nelle macchine operatrici. Tuttavia il massimo impatto atteso dall’approccio si avrà dalla messa a disposizione di un ambiente idoneo a ricevere, in un quadro di valutazione attendibile, anche ipotesi di motorizzazione significativamente diversa da quelle attuali (motorizzazioni ibride o alimentazioni a celle di combustibile). Al momento attuale il limite per l’applicabilità pratica di queste tecnologie non è di tipo tecnologico ma pratico. La massima autonomia e produttività attualmente ottenibili rispettando i vincoli di layout non sono compatibili con i criteri di economicità gestionale che il settore impone, e di fatto limitano le applicazioni ad alcuni concept con finalità esclusivamente pubblicitarie. L’obiettivo finale del progetto è dunque da intendersi come la realizzazione di un ambiente virtuale all’interno del quale poter evolvere, anche in termini marginali, le strategie di sfruttamento energetico delle macchine agendo sulle principali direttrici di trasferimento della potenza, proprio perché in tal modo possono essere migliorati i termini dell’equazione sull’impiego produttivo anche di motorizzazioni alternative.
In estrema sintesi, lo sviluppo temporale dell’attività dell’U.O. è quello ricavabile dalla descrizione sintetica della figura allegata,

in cui sono evidenziate in colore grigio le fasi a forte integrazione e sinergia con le altre U.O., in verde quelle sviluppate autonomamente (sebbene temporalmente coordinate) dall’U.O. Imamoter, e in azzurro è evidenziata la fase decisionale in cui, anche con il contributo di industrie di riferimento del settore, saranno definite in sede di coordinamento nazionale le caratteristiche del ciclo di lavoro che sarà adottato, a livello numerico, per la valutazione delle prestazioni della macchina (profilo di missione di riferimento).