Appunti di Meccanica e meccanizzazione agricola

Meccanica e meccanizzazione agricola

Classificazione macchine agricole

Le macchine agricole si suddividono in motrici e operatrici. Le prime vengono impiegate per trainare, spingere o azionare altre macchine. Le macchine operatrici possono essere semoventi, portate o trainate.

In base alle caratteristiche operative possono essere:

• Macchine semplici (svolgono solo il lavoro cui sono destinate);
• Macchine composte (svolgono allo stesso tempo più lavori in campo o in azienda);
• Macchine operatrici polivalenti (caratterizzate da un'unica struttura base su cui montare differenti attrezzi operatori).

Per scegliere la macchina agricola ottimale bisogna conoscere alcune caratteristiche:

• Ambientali (orografia, pedologiche, climatiche...)
• Tipologia di coltura o allevamento animale
• Tecnologiche (qualità meccaniche, materiali, manutenzione, comfort)
• Tecniche (prestazioni di lavoro, consumi, facilità di guida e regolazione)
• Operative (comportamento reale in lavoro per ottimizzare le prestazioni)

Ogni macchina è caratterizzata da:

• Capacità di lavoro (Ct): Volume o superficie lavorata per ogni ora di impiego della macchina (ha/h; t/h). [Ct= b*va*10 dove b è la larghezza di lavoro e Va è la velocità massima consentita senza arresti o rallentamenti, ma si considera soltanto il tempo in cui la macchina lavora effettivamente]
• Produttività di lavoro (Pt): Quantità di lavoro svolto nell'unità di tempo dal singolo addetto (unità lavorativa ul) alla macchina (ha/ulh; t/ulh)

Il tempo operativo di lavoro (TO) è dato dalla somma di:

• TE è il tempo effettivo di lavoro
• TA sono i tempi accessori di lavoro (regolazioni, voltate, rifornimento)
• TMI sono i tempi morti inevitabili (trasferimenti, montaggi)
• TME sono i tempi morti evitabili (esigenze addetti)

La capacità operativa (Co) fa riferimento al tempo operativo TO che racchiude tutte le variabili [Co= 1/TO]

La capacità reale di lavoro (Cre) si riferisce al tempo di utilizzazione in campo TU [Cre=1/TU]. C'è una correlazione tra Cre e Ct, è possibile ricavarlo moltiplicando Ct per (0.50-0.60) nel caso di macchine da raccolta oppure (0.75-0.8) nel caso di macchine per la lavorazione del terreno.

Il periodo utile (Pu) è il numero di giorni o ore entro il quale una certa operazione deve essere effettuata per rispondere alle specifiche esigenze delle varie colture.

La superficie dominabile (Sd) è il prodotto della capacità reale di lavoro di una macchina operatrice per il periodo utile [Sd= Cre*Pu].

Esistono numerosi indici di utilizzazione delle macchine:

• Vita utile, numero di ore di lavoro che la macchina può effettuare prima di passare alla rottamazione
• Obsolescenza tecnica, numero di anni in cui la macchina diventa tecnicamente superata (Vita utile < obsolescenza tecnica)
• Vita utile annua, è il rapporto tra la vita utile e l'obsolescenza tecnica
• Impiego annuo, numero di ore all'anno

Proprietà fisico-chimiche del terreno

Le caratteristiche fisico meccaniche sono fondamentali per scegliere gli organi più adatti per le azioni di rottura, conoscere le condizioni ottimali per eseguire le operazioni, definire la capacità portante senza compromettere la struttura.

In base al diverso contenuto percentuale di sabbia, limo e argilla si individuano 3 classi principali:

• Sciolto (sabbia >50%), sono poco deformabili, incoerenti e dotati di elevata permeabilità. Modesta resistenza alla lavorazione e deformazione. Poco influenzati dalla presenza di acqua
• Medio impasto (Sabbia <50%, argilla 10-20%), è la situazione ottimale perché pone media resistenza alla lavorazione ed è abbastanza influenzato dalla presenza di acqua
• Tenace (argilla >20%, sabbia <30%), sono sensibili alla presenza di acqua, alta resistenza alla lavorazione e se sono umidi sono fortemente deformabili

La plasticità del terreno è la proprietà di deformarsi in maniera permanente se sottoposto a sollecitazione esterna. L’indice di plasticità è l’intervallo di umidità percentuale in cui il terreno si comporta plasticamente. Si ottiene dalla differenza tra il limite liquido e il limite plastico. Per le sabbie il valore è 0, per i terreni di medio impasto è compreso tra 10 e 20, per i terreni tenaci è maggiore a 25.

Coesione: dipende dalle azioni attrattive che si esercitano tra le singole particelle del terreno. È influenzata dalla tessitura, massa volumica e quantità di acqua. Per i terreni tenaci abbiamo i valori massimi di coesione, invece per i terreni sciolti abbiamo valori minimi o nulli di coesione.

Resistenza di attrito interno: dipende dalla resistenza offerta dalle particelle a scorrere l'una sull'altra, definito dall’angolo formato dal piano di scorrimento delle particelle con la direzione della forza perpendicolare alla superficie del terreno [Ri=sigma*tgf]. Anche questa è influenzata dalla tessitura e contenuto idrico (diminuisce con maggiore umidità). La resistenza è massima nei terreni sciolti e minima nei terreni tenaci.

Sollecitazione di compressione: si ha quanto una forza esterna comprime il terreno. Il terreno reagisce deformandosi, addensandosi, riducendo la porosità, finché la sua struttura e le forze di coesione e attrito divengono tali da poter esercitare una reazione uguale e contraria alla forza.

Sollecitazione di taglio: all’aumentare della sollecitazione si verifica azione di taglio al quale il terreno oppone resistenza [τ = Cs + p⋅ tg φ, dove p è la pressione sul terreno]. La resistenza massima al taglio per terreni sciolti è con un’umidità del 7-10%, invece per i terreni tenaci è del 15-18%. Pressioni massime accettabili in terreni asciutti (letto di semina) deve essere inferiore a 6 kPa.

Resistenza alla lavorazione: deriva da azioni espletate dagli organi di taglio delle macchine operatrici che penetrano nel terreno con azione cuneiforme. È data dalla presenza dell’adesione [A deve essere compresa tra 11 e 13 kPa per i terreni argillosi, tra 2 e 5 kPa per terreni sabbiosi] e dell’attrito esterno [R =sigma*tg φ, quest ultimo valore è 0.4-0.6].

Resistenze specifiche dei terreni: è un parametro di campo che definisce la resistenza specifica dei terreni alle varie lavorazioni. È espressa in forza specifica [N/m*cm] per le macchine a organi fissi (aratri a versoio, erpici a denti fissi, rincalzatori, ecc) oppure in potenza specifica [kW/m*cm] per le macchine con organi di lavoro azionati dalla presa di potenza del trattore (vangatrici, erpici rotanti, zappatrici, ecc).

Esempi di calcolo

Esempio 1: Calcolare la forza di trazione Ftr(N) necessaria per operare con un erpice a dischi (larghezza di lavoro b = 2,4 m) che lavora in un appezzamento con terreno argillo-sabbioso a una profondità di lavoro H = 15 cm. Dalla tabella si rileva che una resistenza specifica alla lavorazione ρ= 180-200 N/m·cm. Conseguentemente, si ha: Ftr= ρ*b*H=200·2,4·15 = 7200 N.

Esempio 2: Calcolare la potenza richiesta Pr (kW) da una zappatrice (larghezza di lavoro b =1,8 m) che lavora in un appezzamento con terreno limoso a una profondità di lavoro H=17 cm. Dalla tabella si rileva che una resistenza specifica alla lavorazione ρ= 1,0-1,2 kW/m·cm. Conseguentemente, si ha: Pr= ρ*b*H= 1,2·1,8·17 = 36,7 kW.

Termodinamica

Lo stato fisico di un aeriforme è perfettamente determinato quando siano noti i valori di pressione, temperatura, volume specifico. I gas perfetti sono caratterizzati dall’equazione pV=nRT. Variando con continuità le variabili p, v, T di un gas, somministrando dall’esterno calore o lavoro, muterà il suo stato fisico. L’insieme dei successivi stati di equilibrio del gas individua sul piano PV una linea di trasformazione. Il lavoro compiuto o ricevuto dal fluido equivale all’area compresa fra la curva di trasformazione, l’asse delle ascisse e le normali a essa condotte dai due punti estremi della curva.

Il ciclo Diesel è un ciclo termodinamico per motori a combustione interna dove l'accensione della miscela non avviene attraverso una candela bensì per effetto dell'alta temperatura conseguente alla fase di compressione. Esso comprende 4 fasi o trasformazioni:

• Trasformazione adiabatica: compressione (senza perdita di calore);
• Trasformazione reversibile isobara: il sistema assorbe calore dalla combustione (senza perdita di pressione);
• Trasformazione adiabatica: espansione;
• Trasformazione reversibile isocora: il sistema cede calore liberando i gas di scarico.

Il rendimento massimo di un ciclo diesel dipende dal rapporto volumetrico di compressione e dal rapporto volumetrico di combustione. C è il rapporto tra la fine e l'inizio dell'espansione volumetrica che avviene durante la combustione. K è il rapporto tra i calori specifici (Cp/Cv).

Motore

Il motore endotermico utilizza l’energia da legame chimico posseduta dai combustibili fluidi, la quale viene trasformata con la combustione in energia termica e mediante un sistema fisico in energia meccanica. Il sistema fisico è costituito da un cilindro fisso entro cui con moto rettilineo alternativo si muove un pistone che è connesso all’albero motore tramite la biella.

Cilindro-pistone parametri geometrici e dimensionali: La corsa è la differenza tra le altezze del pistone. L’alesaggio è il diametro interno del cilindro. Ci deve essere un rapporto di 1.2 tra corsa e alesaggio. Il rapporto di compressione [ρ=V1+V2/V2] è di 6-8 per i motori che compiono ciclo Otto, invece di 16-20 per il ciclo Diesel. L’aumento di potenza viene ottenuto incrementando il numero di pistoni. La combustione avviene a 1600-1800°C, la temperatura di scarico è di 500-600°C.

Albero motore presenta dei gomiti opportunamente tra loro sfalsati, sui quali agisce il sistema pistone-biella e mediante i quali si realizza il manovellismo di spinta, che trasforma il moto rettilineo alternativo in moto rotatorio dell’albero motore.

Ciclo Diesel: la prima fase è l’aspirazione isobara, seguita da una compressione adiabatica (con scambio di solo lavoro e non di calore). Poi avviene la combustione isobara e una espansione adiabatica. Infine abbiamo lo scarico. Il ciclo si completa dopo due giri (4 corse del pistone).

Ciclo Otto: la differenza dal ciclo diesel sta nella fase di combustione, in questo caso è isovolumica.

Ciclo Sabathe: la differenza dai cicli precedenti sta nella fase di compressione e combustione che in questo caso avvengono in parte a volume costante e in parte a pressione costante.

Cicli reali: sono caratterizzati da arrotondamenti, dipendono dal fatto che le valvole non si aprono esattamente quando il pistone raggiunge i punti morti, ma con un leggero anticipo o ritardo, caratteristici di ogni motore.

Sistema motore per poter funzionare deve essere dotato di una serie di dispositivi: alimentazione combustibile, scarico dei gas combusti, lubrificazione, raffreddamento, regolazione e avviamento. Il sistema di alimentazione provvede all’invio nei cilindri sia di aria sia di carburante. L’aria deve essere filtrata, tramite filtri a secco o a bagno d’olio. Per ogni grammo di gasolio devono essercene 20 grammi di aria. Il controllo del gasolio viene effettuato mediante la pompa di iniezione che governa gli iniettori (pressione di esercizio 100-250 bar) a servizio dei vari cilindri.

Funzionamento elemento pompante è composto da tre fasi:

• Alimentazione: durante la discesa dello stantuffo, il gasolio riempie il cilindretto;
• Mandata: durante la corsa di risalita, lo stantuffo chiude le entrate e lo pone in pressione. La valvola di mandata si apre e si ha la mandata all’iniettore;
• Fine mandata: la corsa di risalita continua e la scanalatura elicoidale scopre la luce di riflusso. La valvola si richiude per evitare ogni gocciolamento all’iniettore.

Iniezione common rail: rende indipendenti le funzioni di pressurizzazione e di gestione dell’iniezione del combustibile. Con questo tipo di iniezione si ottimizza il momento e la quantità del combustibile iniettato, frazionandone l’immissione con una serie di tre o più iniezioni sequenziali a distanza di millisecondi. Così si ottiene una riduzione dei consumi, riduzione della rumorosità, risposta rapida alle variazioni di carico, diminuzione delle emissioni.

Sovralimentazione: la turbina è azionata dai gas di scarico e muove il compressore dell’aria comburente. Il regime di rotazione è di 12000-15000 giri al minuto. Si ha un aumento della densità di aria immessa a ogni ciclo nel cilindro. Invariando la cilindrata abbiamo una maggiore massa di ossigeno, aumento della potenza e della coppia con riduzione del consumo specifico.

Sistema di raffreddamento: mantiene gli organi termicamente più sollecitati a temperature compatibili con le loro caratteristiche meccaniche. Il sistema deve asportare 750-850 kcal/kWh. Il sistema può essere ad aria (meno ingombro, manutenzione e omogeneità di raffreddamento) o a acqua (meno rumorosità e temperatura dell’olio minore).

Bilanciamento energetico: il rendimento di un motore endotermico è del 26-36%. Le quote più consistenti di perdite di calore avvengono attraverso i gas di scarico e il sistema di raffreddamento.

Sistema di lubrificazione: è necessario per ridurre gli attriti fra le varie componenti e facilita la tenuta dei pistoni. Il sistema è chiuso, dotato di pompa, filtri e serbatoio (coppa). I motori sempre più prestanti hanno la necessità di raffreddare l’olio che entra nei pistoni per lubrificarli.

Freno:

• Di Prony: permette di determinare la coppia motrice sviluppabile dal motore in corrispondenza di ogni regime di rotazione del motore. I punti calcolati permettono di tracciare le curve della coppia e della potenza, si può aggiungere anche il consumo specifico (consumo orario per ogni unità di potenza meccanica sviluppata).
• Mobile idraulico: le prove vengono effettuate con dei freni appositi collegati alla presa di potenza, bisogna considerare il rendimento della pdp che è del 90-95%.
• Fisso elettromagnetico: si conducono con la pompa del gasolio alla massima mandata.

Curve caratteristiche: si riferiscono al comportamento del motore quando esso è assoggettato al carico massimo. Richiedendo al motore un carico inferiore, si otterrebbero curve di coppia e potenza di analoga forma ma più basse rispetto alle curve caratteristiche. La curva del consumo specifico risulta più alta, in quanto il consumo necessario per il funzionamento a vuoto del motore si può considerare costante a ogni regime e la sua incidenza sull’energia utile risulta progressivamente più forte al diminuire del carico. Nei motori per trattori è importante che sia garantita la possibilità di adeguare l’operatività.