Meccanica e meccanizzazione forestale

Meccanica e meccanizzazione forestale

Filiera del legno - approvvigionamento e prima lavorazione

Per meccanizzazione si intende l’insieme di operazioni allo scopo di lavorare il legno quando è in piedi sino a quando arriva in segheria. Nella meccanizzazione si introduce quindi un mezzo meccanico al posto dell’uomo. Il materiale deve uscire dal bosco in maniera omogenea.

La stagionatura è un'operazione di essiccazione del legno eseguita in genere all’aria aperta sfruttando la luce solare. Se eseguita in maniera ottimale il materiale non viene danneggiato e il prodotto finale è un legno secco (non umido, l’umidità al suo interno è molto bassa ed è in equilibrio con quella ambientale).

Nella segheria, invece, si ha la produzione di prodotti semi lavorati (non definitivi), i quali successivamente saranno sottoposti ad una successiva lavorazione. Per quanto riguarda la produzione di residui legnosi, essi costituiscono circa il 30% della pianta intera (cimale, rami e scarti di depezzatura), mentre il prodotto utile costituisce il 70% dell’individuo. I residui legnosi possono quindi essere destinati alla produzione di energia sotto forma di biocombustibili solidi (cippato e pellet) oppure la segatura può essere impiegata per l’industria dei pannelli (compensato, legno misto a colle).

Tipologie di lavoro in foresta

Le utilizzazioni forestali rappresentano una delle attività che vengono svolte in foresta o in ambito rurale.

• Costruzione o ricostruzione del soprassuolo: rimboschimenti, cure colturali, sfolli, potature, decespugliamento.
• Utilizzatori di legna e legname: tagli di maturità, diradamenti, tagli fitosanitari. Comprendono oltre il 70% del lavoro in bosco.
• Infrastrutture varie: strade, piste, linee di esbosco (in alcuni contesti risultano fondamentali per l’istaurazione o meno di un cantiere forestale, fondamentali per il trasporto del legname e dei mezzi).
• Sistemazioni idrauliche.
• Altri: es. infrastrutture per uso ricreativo.

Fasi del lavoro di utilizzazione

1. Fase di abbattimento: recisione del fusto in piedi ed atterramento su un letto di caduta.
2. Fase di sramatura: taglio dei rami e del cimale (pulizia tronco).
3. Allestimento fase di sezionatura: divisione del fusto in assortimenti commerciali.
4. Fase di scortecciatura: rimozione parziale o totale della corteccia.
5. Fase di concentramento ed esbosco e successivo trasporto all’imposto.
6. Fase di trasporto: trasporto del legname su strade forestali o pubbliche sino all’impianto di utilizzazione (segheria) che porta alla produzione di un prodotto finale (travi, lamelle, tavole).

Fattori che condizionano il livello di meccanizzazione in bosco

Dotazioni di D.P.I. (esempi):

• Caschetto
• Guanti
• Scarponi
• Pantaloni antitaglio
• Oto-protettori

Condizioni del terreno e del soprassuolo:

• Pendenza
• Accidentalità (ostacoli)
• Portata del terreno (capacità del terreno di resistere a delle pressioni)
• Sottobosco
• Bosco

Contesto operativo

• Sistemi di lavoro (semplici o complessi)
• Macchine e attrezzature con elevato rischio (aumentano all’aumentare della potenza)
• Gestione e manipolazione di materiale eterogeneo

Caratteristiche dell’organizzazione del lavoro

• Lavoro stagionale, occorre programmare le attività nel corso del tempo delle macchine e degli operai per cercare di massimizzare la produttività. L’attività è concentrata in alcuni periodi dell’anno.
• Condotto da piccole o singolari unità operative.
• Episodiche occasioni di formazione e di aggiornamento tecnico.
• Limitata disponibilità di assistenza tecnica.

Possibili impatti del lavoro forestale

Insieme degli effetti qualitativi e quantitativi dell’ambiente causati da interventi o azioni di significativa entità. I principali elementi che possono essere alterati sono a livello del:

• Suolo – il passaggio delle macchine può provocare variazioni a livello della struttura e del comportamento del suolo;
• Risorse Idriche – possibile inquinamento delle acque dovuto al rilascio di oli o all’aumento della torbidità delle acque superficiali;
• Fauna – disturbo dell’habitat di alcune specie animali;
• Vegetazione – al di là delle piante abbattute può comportare un danno alle piante non destinate al taglio (soprattutto le più piccole);
• Atmosfera – immissione di gas inquinanti dovuti dall’utilizzo di mezzi e macchine per la lavorazione in bosco;
• Paesaggio – peggioramento delle caratteristiche paesaggistiche dovute dall’azione dei tagli;

La meccanizzazione forestale

Il processo di meccanizzazione ha introdotto per l’appunto l’uso di macchinari per il facilitamento delle operazioni che devono però essere abbinate a delle tecniche lavorative adeguate basate sulla formazione del personale, adeguamento delle infrastrutture e programmazione e organizzazione dei lavori. Le macchine nel corso del tempo hanno implementato la loro energia prodotta e quindi il lavoro e nel tempo stesso si sono ridotte le dimensioni dei motori impiegati.

Gli scopi delle lavorazioni forestali sono:

• Produzione di legna e legname (utilizzazioni forestali) – manutenzione del territorio;
• Funzioni sociali, ambientali ed estetiche;

I sistemi di lavoro dipendono principalmente dall’ambiente sociale e dalle condizioni economiche ed inoltre alle finalità perseguite, mezzi disponibili ed alle caratteristiche del bosco.

Obiettivi della meccanizzazione

• Riduzione dello sforzo fisico: 0,1 kW potenza uomo / 2-200 kW macchine;
• Incremento della produttività e riduzione dei tempi di lavoro. Per produttività si intende la quantità di lavoro nell’unità di tempo, calcolata in massa di prodotto orario lavorato o ettari/ora (ha/h) lavorati;
• Riduzione del costo del lavoro abbassando il costo della produzione (costo della manodopera in aumento);

Rischi della meccanizzazione

• Rischio ergonomico – variabile in base alle potenza delle macchine, della loro tipologia e dal tipo di operazione;
• Rischio economico – razionalizzazione nella scelta di mezzi o sistemi di lavoro;
• Rischio ecologico – limitazione della libertà selvicolturale (non trascurare le esigenze del bosco), possibilità di arrecare danni;

Livelli di meccanizzazione forestale

Meccanizzazione iniziale

Uso di mezzi non progettati per scopi forestali, equipaggiamento con macchine polivalenti (trattore) con attrezzature complementari. Elemento base: Motosega.

Meccanizzazione avanzata

Impiego di macchine semplici specializzate per lavori forestali. Esempi: gru a cavo, cippatrici, scortecciatrici, trattori specializzati.

Meccanizzazione spinta

Impiego di macchine combinate specializzate per lavori forestali come processor (operazioni di sramatura, depezzatura, misurazione) o harvester (abbattitrici-allestitrice).

Condizioni per la meccanizzazione

• Rapporto tra costo del lavoro manuale e costo del lavoro meccanizzato – spingere la meccanizzazione in quelle situazioni con costi della manodopera elevati (dipende anche dal contesto territoriale e sociale).
• Volume di lavoro e stabilità dell’impresa – incide sul livello di meccanizzazione.
• Disponibilità di personale qualificato – è uno dei fattori più limitanti in diverse realtà.
• Infrastrutture – necessità di accedere con uomini e mezzi in bosco.
• Pianificazione e organizzazione dei lavori (piano di assestamento) – interventi colturali utili per conseguire gli obiettivi.

Ogni macchina o cantiere è caratterizzato da una certa capacità di lavoro che è un valore che esprime il lavoro della macchina compiuto nel tempo m³/h – t/h – ha/h.

Motore

Sistema in grado di trasformare una sorgente di energia in un lavoro o forma energetica di tipo meccanico. Lavoro (forma dell’energia meccanica) = Energia (di varia forma ed in grado di produrre un effetto). I motori impiegati nelle macchine forestali si suddividono in 2 tipologie:

• Motori endotermici - sono contenuti nella maggior parte dei mezzi e dei sistemi, consistono in motori in grado di convertire l’energia chimica (contenuta nelle molecole di combustibile) in energia meccanica utile attraverso un processo di combustione. Le dimensioni e la potenza del motore sono in funzione del tipo di macchina. Sono dotati di autonomia (in base alla disponibilità di combustibile) ma risultano anche più complessi e impattanti a livello ambientale.
• Motori elettrici - tipologia di motore in grado di convertire l’energia elettrica in lavoro. Presentano come grande svantaggio la necessità di dover essere collegati ad una rete elettrica o ad un gruppo elettrogeno, lavorando così in punti fissi (es: aree attrezzate con punti di presa). Hanno un rendimento maggiore rispetto ai motori endotermici ed un costo dell’energia elettrica minore rispetto al carburante.

Motore endotermico

Energia in entrata (Ee) Energia in uscita (Eu) Motore (Energia chimica del combustibile in energia meccanica) Rendimento (η) = Eu / Ee * 100 (%)

Indica la capacità del motore di convertire in energia utile l’energia in ingresso. A parità di lavoro aumentando il rendimento diminuisce il consumo. Gas di combustione Carburante ME Aria Albero motore - Processo di combustione del carburante (gasolio, benzina, …) Perdite energetiche inevitabili (attriti, calore, …) - - Produzione di gas combustibili (emissione in atmosfera)

In questa tipologia di motore l’energia chimica viene convertita in energia meccanica mediante l’uso di sistemi costituiti principalmente da cilindro-pistone-biella-albero (asse rotativo che distribuisce l’energia prodotta dal motore verso gli organi utilizzatori). Si assiste alla conversione di un moto alternativo lineare (movimento dei pistoni all’interno del cilindro dovuto all’espansione del gas derivante dalla combustione del carburante) ad un moto circolare (albero motore).

Diversi parametri concorrono a definire le caratteristiche di un motore:

• Potenza (kW – CV)
• Consumi specifici (kg/kWh – incide sui costi del lavoro)
• Cilindrata unitaria (volume del cilindro e del pistone)
• Rapporto di compressione – rapporto tra il volume totale del cilindro quando il pistone è al punto morto inferiore dopo la fase di aspirazione e il volume che rimane nel cilindro quando il pistone è al punto morto superiore dopo la compressione.

Motore endotermico (alternativo)

In funzione delle modalità di innesco della combustione si distinguono in:

• Motore a scoppio o ad accensione provocata (benzina) Usato maggiormente nelle macchine piccole, a parità di peso erogano una maggiore potenza. Sono caratterizzati da una carburazione esterna alla camera di combustione, l’accensione e quindi la combustione è innescata da una candela nella testa del cilindro e comandata dalla centralina che regola quindi la combustione. La candela genera una scintilla che provoca l’accensione del combustibile. La combustione libera calore e provoca l’espansione del gas che si espande verso il pistone spingendolo verso il basso. L’energia chimica viene convertita in energia termica e a sua volta in meccanica.
• Motore Diesel o ad accensione spontanea Tipologia di motore più pesante poiché deve resistere ad un maggior numero di sollecitazioni. Sono caratterizzati da una carburazione interna alla camera di combustione. In questo caso la combustione avviene per effetto della compressione del gas. Il gas compresso aumenta la sua temperatura favorendo così una combustione spontanea del gasolio iniettato dall’iniettore, non vi è la presenza di un magnete. Il pistone fa aumentare la temperatura della camera.

Motore endotermico (Alternativo)

In funzione del numero di corse dello stantuffo necessarie per compiere un ciclo, i motori a scoppio e Diesel si distinguono in:

• Motori a 4 tempi – Servono 2 giri completi dell’albero motore, risulta quindi più complesso ma dotato di coppia motrice molto più flessibile.
• Motori a 2 tempi – Tutte le fasi del ciclo della combustione avvengono con un giro di albero motore, sono dunque motori più semplici ed usati principalmente nelle macchine portatili.

Ciclo di funzionamento del motore a 4 tempi

• 1° tempo Aspirazione – Affinché avvenga la combustione è necessario che nella camera vi siano il combustibile e l’aria (in particolar modo O₂ che funge da comburente). Il pistone muovendosi verso il basso crea una depressione che richiama quindi l’ingresso di aria mediante una valvola d’ingresso dell’aria.
• 2° tempo Compressione/accensione – Il pistone comprime il gas aspirato il quale va a contatto con la scintilla provocata dalla candela provocando così l’accensione.
• 3° tempo Espansione – Il gas espandendosi spinge verso il basso il pistone.
• 4° tempo Scarico – Con la risalita del pistone i gas esausti presenti nella camera di combustione fuoriescono mediante un'altra valvola.

Coppia e potenza del motore

Il motore produce potenza meccanica attraverso l’albero motore, organo che produce un moto rotatorio. Motore F = forza b = braccio F * b = Momento o Coppia motrice Potenza = C * ω C = coppia (N*m) ω = velocità angolare (radianti/s)

La coppia è il momento meccanico prodotto dal motore al suo albero. Il pistone nella sua espansione verso il basso esprime una forza che viene applicata su un braccio (momento della forza). Il momento in motoristica prende il nome di coppia motrice o momento della forza con cui il pistone scende in basso moltiplicato per il suo braccio. La coppia è legata alla potenza poiché più coppia indica più potenza (legato anche al numero di giri nell’unità di tempo). Le curve caratteristiche del motore identificano la prestazione meccanica del motore in termini di coppia e di potenza, indicando come variano in base a come gira il motore. Riserva di coppia = (C_max – C_pmax) / C_pmax Differenza tra la coppia massima e la coppia a potenza massima.

Elasticità Δn = n_cmax - n_pmax Differenza tra il numero di giri a potenza massima e a coppia massima. Maggiore sarà la riserva di coppia, più in grado il motore sarà di vincere le resistenze a sollecitazioni o alle resistenze e di avere coppia da sprigionare. Se in un campo di giri ampio è migliore perché il terreno risulta essere più elastico e flessibile. Diminuendo il numero di giri aumenta la coppia per vincere la resistenza.

Consumo specifico

Il consumo specifico di un motore è rappresentato dalla massa di combustibile utilizzato (g) sull’energia meccanica prodotta (kWh), indica quindi il consumo in massa per generare un kWh di energia meccanica. Il punto migliore si ha quando il consumo è minore. Dipende dalle sollecitazioni a cui è sottoposto il motore, non tutto il potere calorifico del combustibile viene convertito in energia:

• 25-30% perdite per incompleta combustione attraverso gas di scarico
• 25-30% perdite di calore attraverso le pareti dei cilindri
• 6-8% energia dispersa per attriti del motore e dei suoi accessori
• 32-40% energia meccanica effettivamente utilizzabile all’albero motore

Il consumo di un motore è indicato dal costo del combustibile e dalle ore di utilizzo del motore, questo calcolo risulta essere molto utile per la valutazione dei costi di esercizio. Il consumo di un motore dipende da la sua potenza, consumo specifico del motore e dal carico (numero adimensionale che può essere espresso in percentuale ed indica quanto effettivamente il motore viene impiegato).

C = P * Cs * Cm Carico del Consumo Potenza (kWh) Consumo motore (g/h) specifico del motore (g/kWh)

Apparati ausiliari del motore

Gli organi accessori sono diverse tipologie di dispositivi installati per migliorare il funzionamento del motore. Il circuito di raffreddamento ha il compito di dissipare il calore mediante un circuito idraulico che attraversa la struttura del motore e lo porta sino al radiatore (scambiatore di calore). Il carburatore, presente nei motori a scoppio a benzina, miscela il combustibile con l’aria prima di iniettare la miscela nella camera di combustione arricchendo così la benzina di aria (in particolare O₂).

La trasmissione del moto

Una volta che nei motori l’energia è stata convertita in forma meccanica, occorre trasferirla (trasmetterla) agli organi utilizzatori della macchina (ruote, catena di taglio, tamburo, argano, …). La trasmissione è costituita da una serie di componenti che consentono di portare l’energia dall’albero motore in uscita dal motore agli organi utilizzatori. Organi utilizzatori (ruote motrici) Motore Trasmissione Sistema di trasmissione nel caso di una macchina trattrice.

Organi di trasmissione

La trasmissione trasmette la potenza prodotta dal motore agli organi utilizzatori sotto forma di coppia (momento) e di velocità di rotazione opportune, modifica quindi la velocità e la coppia in uscita dall’albero con una propria velocità e coppia agli utilizzatori con velocità e coppia.