Meccanica e meccanizzazione agricola

Meccanica e meccanizzazione agricola 2019/2020

Cenni sulle caratteristiche chimico-fisiche del terreno

Il terreno agrario è la parte superficiale della crosta terrestre che viene coltivata ed è interessata dalle piante, ed è costituito da tre fasi sempre coesistenti ed in rapporto variabile tra loro: solida, liquida, gassosa. L’organizzazione e la distribuzione nello spazio delle singole particelle definiscono la struttura del terreno. La struttura del terreno cambia costantemente, ciò significa che è necessario variare artificialmente il rapporto tra le fasi che costituiscono il terreno, modificandone o ripristinando la struttura, per mezzo dell’azione periodica delle macchine, così che le piante possano svilupparsi. È importante conoscere il suolo per capire meglio quali macchine utilizzare, in quali condizioni operare certe operazioni, ed altro. Inoltre, anche stimare la propria capacità portante (capacità di deformarsi se sottoposto a sollecitazioni esterne).

La tessitura di un suolo è definita dalla distribuzione percentuale della granulometria delle particelle che lo compongono ed è possibile distinguere tre frazioni a granulometria crescente: argilla, limo, sabbia. Si distinguono tre tipi di terreni:

• Terreno sciolto (>50% di sabbia, detto sabbioso, sabbioso-limoso);
• Terreno di medio impasto (<50% sabbia, 10%<argilla<20%, detto limoso-sabbioso, limoso, limoso argilloso);
• Terreno tenace (>20% argilla, sabbia <30%, detti argilloso-sabbioso, argilloso-limoso, argilloso).

La porosità di un terreno si definisce come il rapporto tra il volume degli spazi occupati da fase liquida e gassosa (pori) ed il volume totale del campione. Le sollecitazioni esterne variano la porosità di un terreno. Definiamo, invece, la plasticità come la proprietà del terreno di deformarsi in maniera permanente quando sottoposto a sollecitazioni esterne. Dipende in gran parte dal contenuto idrico del terreno.

La stima della plasticità di un terreno porta all’individuazione di tre valori notevoli detti limiti di "Attenberg", che individuano livelli di umidità: limite liquido (fluido-plastico), limite plastico (plastico-c’è più corrispondenza lineare tra riduzione del contenuto idrico e solido), limite di ritiro (non variazione di volume). Definiamo dunque l'indice di plasticità come l’intervallo di umidità percentuale entro il quale il terreno si comporta plasticamente: LL - LP. Tra LL e LP infatti, il terreno si comporta plasticamente. Molto spesso si tratta di deformazioni permanenti, quindi il terreno necessita di lavorazioni.

Resistenza del terreno alle sollecitazioni

Quando sottoposto a sollecitazioni esterne il terreno si oppone con delle forze di reazione, ossia delle forze interne che dipendono da due proprietà fisiche intrinseche:

1. Forza di coesione (Cs): grandezza fisica che deriva dalle forze di attrazione di legame chimico che si esercitano tra le particelle del terreno (misurata in N/cm²; dipende dalla tessitura, dalla massa volumica, dalla quantità di acqua libera; è più elevata nei terreni tenaci, minima in quelli sciolti; per uno stesso terreno è massima per umidità pari al 70-80% del limite plastico).
2. Resistenza di attrito interno (Ri): deriva dalla resistenza delle particelle di terreno a scorrere l'una sull'altra (misurata in N/cm²; dipende in gran misura dalla pressione cui è soggetto il terreno e dalla presenza di acqua libera, elevata nei terreni sciolti).

La reazione complessiva di un terreno alle sollecitazioni esterne è detta resistenza al taglio (N/cm²). Cambia in funzione del terreno e dell'umidità.

Il trattore

Il trattore è un veicolo atto a sviluppare la potenza da utilizzare a servizio delle macchine operatrici (MO) ed utilizza:

• Forza di trazione;
• Coppia a un albero motore;
• Energia di pressione idraulica;
• Energia elettrica.

Vi sono diversi tipi di accoppiamenti:

• Trainato o trainante (tutto il peso dell’operatrice si scarica al suolo);
• Portato o portante (tutto il peso dell’operatrice si scarica sul trattore);
• Semi-portato (circa metà del peso della MO si scarica sul trattore).

Il trattore è costituito dai seguenti gruppi di organi principali:

1. Struttura portante: destinata a sopportare tutti i componenti del trattore, scaricandone il peso al suolo attraverso le ruote o i cingoli, nonché resistere alle sollecitazioni statiche e dinamiche, ordinarie e accidentali;
2. Motore a combustione interna: fornire la potenza meccanica necessaria all'auto-dislocamento, movimento e funzionamento degli organi che lo costituiscono e delle MO ad esso accoppiate;
3. Trasmissione: complesso di meccanismi che trasmettono il moto dall'albero motore agli organi di propulsione e a quelli per il collegamento e l'azionamento delle MO;
4. Propulsione e sostegno: permettono l’avanzamento del trattore scaricandone il peso sul terreno;
5. Frenatura: hanno lo scopo di rallentare o arrestare la marcia dell’autoveicolo o di assicurarne l’immobilità;
6. Direzione: consentono la guida attraverso il direzionamento del mezzo;
7. Collegamento alle MO: effettuano connessione e trasmissione della potenza motrice; gancio di traino, attacco a tre punti, pdp, sistema idraulico, sistema elettrico.

I trattori possono essere a 2RM, a 4RM, a 4RM ruote iso-diametriche, a cingoli.

Il motore endotermico

È un dispositivo all’interno del quale l’energia chimica del combustibile si trasforma in energia termica e di pressione, grazie alla combustione. Dopodiché il gas si espande spingendo verso il basso un pistone all’interno di un cilindro. Il movimento rettilineo del pistone viene trasformato in moto rotatorio tramite un manovellismo di spinta, determinando la rotazione dell’albero motore. Si tratta di una trasformazione termodinamica che, una volta innescata, si ripete ciclicamente. In agricoltura viene usato per lo più il motore a ciclo diesel, dove la combustione si innesca spontaneamente per effetto dell’alta temperatura dovuta alla compressione dell’aria all’interno del cilindro contenente il combustibile finemente polverizzato e miscelato con l’aria.

Nel motore a ciclo diesel si distinguono 4 fasi:

• 1° tempo fase di aspirazione: il pistone, partendo dal punto morto superiore (PMS) si abbassa creando all’interno del cilindro una depressione che richiama aria attraverso la valvola di aspirazione.
• 2° tempo fase di compressione: la valvola di aspirazione si chiude quando il pistone è al punto morto inferiore (PMI), contestualmente il pistone inizia la risalita comprimendo l’aria all’interno del cilindro.
• 3° tempo fase di combustione/espansione: poco prima del fine corsa di compressione, il combustibile finemente polverizzato viene iniettato all’interno della camera di combustione mescolandosi con l’aria; a causa dell’alta temperatura la miscela si accende spontaneamente determinando un brusco innalzamento di temperatura; il gas si espande violentemente spingendo verso il basso il pistone.
• 4° tempo fase di scarico: in prossimità del PMI la valvola di scarico si apre permettendo la fuoriuscita dei gas di combustione; il pistone risale evacuando la camera di combustione.

Queste fasi sono ovviamente trasformazioni termiche, con variazione di pressione/volume. La successione delle diverse fasi che costituiscono il ciclo viene definita dal diagramma di distribuzione che rappresenta graficamente e con riferimento sia al PMS sia al PMI, l'angolo di svolgimento di ciascuna fase (posizione del bottone di manovella). Le valvole si aprono con un certo anticipo o ritardo (espressi in ampiezza dell’angolo).

I motori a ciclo Diesel possono essere mono o pluricilindrici, con un certo numero di "unità cilindro", generalmente 2-3-4-6, equilibrate staticamente e dinamicamente; possono essere disposti in linea (quando le singole unità sono sistemate secondo un'unica fila), o contrapposti (quando sono disposte su due file formanti un certo angolo fra loro). I cilindri sono normalmente raccolti in un solo blocco (monoblocco) collegato inferiormente alla coppa e, superiormente, alla testata. Può cambiare nei motori raffreddati ad acqua o ad aria.

Un motore endotermico viene individuato per dimensioni e per qualità funzionali dai seguenti parametri caratteristici:

• Alesaggio (diametro interno del cilindro, misurato in mm, uguale per tutti i cilindri);
• Punti morti (inferiore - PMI - e superiore PMS, posizioni estreme occupate dal pistone quando si arresta e inverte la sua corsa);
• Corsa (spostamento del pistone in mm fra PMS e PMI);
• Cilindrata (come parte compresa fra i due punti morti, escluso il volume della camera di combustione, moltiplicato per il numero dei cilindri);
• Numero di giri (numero di rotazioni complete che l'albero motore compie in un minuto);
• Rapporto di compressione (rapporto fra la cilindrata di un cilindro V₁ più il volume della camera di combustione V₂ e il volume della camera di combustione stessa V₂).

Il motore per poter funzionare deve essere dotato di una serie di dispositivi e sistemi: l'alimentazione del combustibile, lo scarico dei gas combusti, la lubrificazione e il raffreddamento, la regolazione, l'avviamento.

L’alimentazione al gasolio consiste in: ai diversi cilindri viene fatta a mezzo di un sistema basato sulla cosiddetta pompa di iniezione che governa gli iniettori a servizio dei vari cilindri. Possiamo avere due tipi di pompa: a pistoni multipli (tanti quanti sono i cilindri del motore) dotati di moto alternativo, a pistone unico dotato di moto rotativo. A valle della pompa e inseriti nei cilindri sono posti gli iniettori che provvedono a spruzzare il gasolio nella camera di combustione, che lavorano a pressioni alte. Iniezione può essere diretta ed indiretta, la prima prevale nelle soluzioni moderne.

Il sistema "Common Rail", che suddivide e rende indipendenti le due funzioni di pressurizzazione del combustibile e di gestione dell'iniezione (di tipo diretto). La soluzione a tutt'oggi più utilizzata consiste nell'inserire sul circuito dei gas di scarico un turbocompressore che, ruotando a velocità sino a 120.000 giri/min, fornisce all'aria comburente pressioni alte, si realizzano, così, incrementi di potenza. Si basa su uno scambiatore di calore introdotto del condotto di alimentazione che raffredda l’aria compressa. Lo scarico dei gas combusti si verifica per effetto dell'apertura della valvola di scarico di ciascun cilindro, a temperature di 500-600 °C. Un motore con fumosità molto intensa è indice di incompleta combustione e, quindi, di minor rendimento.

Lubrificazione: il sistema di lubrificazione si rende indispensabile per ridurre gli attriti delle parti accoppiate e dotate di moto relativo e facilitare la tenuta dei pistoni, e contribuire all'asportazione di una parte dell'energia termica prodotta dal motore. La circolazione dell'olio è assicurata da una pompa di portata proporzionale alla potenza espressa dal motore, mentre nel circuito è posto un accurato sistema di filtraggio per trattenere i residui dovuti all'usura del motore.

Sistema di raffreddamento: serve per mantenere gli organi più termicamente sollecitati (valvole, cilindri, cielo dei pistoni) a temperature compatibili con le loro caratteristiche meccaniche. Ci sono soluzioni ad acqua o ad aria, che presentano vantaggi e limiti. È importante per vari motivi: dall’aumento delle usure, alla riduzione delle resistenze meccaniche dei materiali. È importante il rapido raggiungimento del regime termico del motore, per evitare la condensazione di H₂S sulle pareti dei cilindri.

Curve caratteristiche

Le curve caratteristiche del motore endotermico sono fondamentali per caratterizzare un motore e le sue prestazioni potenziali; esprimono i valori di coppia motrice, potenza e consumo specifico, che il motore, in condizione di massima alimentazione, è in grado di esprimere ai diversi valori del numero di giri. Sono determinate sperimentalmente con idonei banchi di prova, che rivela la coppia motrice sviluppata all’albero motore. È possibile evidenziare tre regimi caratteristici: il regime massimo (n_max) consentito dal regolatore (definito anche regime a vuoto perché la potenza utile erogata dal motore è nulla), il regime di potenza massimo (n_Pmax) al quale il motore esprime la massima potenza, il regime di coppia massima (n_Mmax) corrispondente al valore massimo della coppia motrice fornita dal motore.

Alcune caratteristiche della curva caratteristica:

• La riserva di velocità: corrisponde alla differenza nel numero di giri tra regime di potenza massima e regime di coppia massima;
• La riserva di coppia corrisponde all’incremento percentuale di coppia, passando dal regime di potenza massima al regime di coppia massima; è anche detta elasticità del motore ed esprime la capacità del motore di vincere coppie resistenti crescenti senza dover cambiare rapporto di trasmissione;
• Il consumo specifico: esprime il rapporto fra l'energia spesa sotto forma di massa di combustibile utilizzato in grammi e l'energia meccanica ottenuta all'albero del motore in kWh; più basso è il consumo specifico, meglio è.