Meccanizzazione agraria

Meccanizzazione dei processi agricoli: meccanizzazione agraria

Le macchine e gli impianti agricoli sono dei dispositivi che impiegano energia per svolgere operazioni specificatamente finalizzate alla produzione, movimentazione, conservazione e prima trasformazione dei prodotti agricoli. Considerando una qualsiasi operazione di produzione agraria, è immediata la necessità per ogni operazione di impiegare macchine distinte che impiegano differenti forme di energia. L’energia (meccanica, termica o idraulica) è convertita in processi agricoli meccanizzati distinti. Le macchine utilizzate lungo il processo impiegano energia di diverso tipo da diverse fonti per svolgere una specifica operazione.

Per garantire la sostenibilità economica dell’impresa agricola è fondamentale tenere conto delle quantità di energia impiegate e delle principali tecnologie impiegate per sfruttarla, per poter effettuare scelte razionali. Oltre alle forme di energia si considereranno anche le risorse temporali, il dimensionamento (potenza, capacità di lavoro) e la logistica aziendale (unità lavoro). Col dimensionamento si deve garantire di concludere il lavoro senza causare perdite economiche dovute alla mancata tempestività.

Trasmissione di potenza meccanica mediante sistemi flessibili

La potenza meccanica è energia meccanica nell’unità di tempo: un alto valore di potenza indica che una certa quantità viene fornita in breve tempo. I generatori di energia meccanica sono trasformatori di energia di altre forme in meccanica. Sono due i tipi utilizzati, il motore endotermico Diesel e il motore elettrico a corrente alternata. Entrambi sono generatori rotativi che producono moto rotazionale su un albero motore dal quale la potenza è prelevata o convertita.

Il motore endotermico Diesel è caratterizzato da flessibilità, in quanto la fonte di energia meccanica (gasolio) è facilmente trasportabile. Attraverso la combustione di 1 kg di diesel si producono 42 MJ, questo conferisce al gasolio un’elevata densità energetica. Il rendimento di conversione energetica è pari circa al 40% pur trattandosi di un motore endotermico.

Il motore elettrico a corrente alternata non ha un serbatoio di energia, la sua possibilità di funzionare dipende dalla connessione alla rete elettrica. Questo costituisce la principale limitazione del motore elettrico: deve trovarsi in prossimità della rete elettrica e quindi deve essere usato all’interno degli impianti aziendali. Il rendimento del motore elettrico è elevatissimo (>95%): esistono però perdite di distribuzione, ad esempio il generatore di corrente ha a sua volta un rendimento (55%). Un secondo vantaggio del motore elettrico è costituito dall’affidabilità meccanica di questo tipo di motore che richiede meno manutenzione rispetto al motore diesel.

Il motore elettrico è però caratterizzato da una rigidità di utilizzo: il motore diesel ha un regime di rotazione ottimale che può essere ampiamente variato, mentre il motore elettrico è caratterizzato da un regime di rotazione ottimale variabile solo del 5%. Vista la poca flessibilità viene utilizzato con sistemi di trasmissione in modo da adattare la potenza erogata alle condizioni di utilizzo.

La potenza generata è data dal prodotto tra il momento torcente (coppia, M) e la velocità angolare (ω). Più di frequente la potenza è espressa in kW, la velocità angolare è quindi espressa in giri/min (2π/60, fattore di conversione da rad/s a rpm).

Prestazioni del motore elettrico

Il motore elettrico ha il regime di coppia massima molto vicino al regime nominale, per cui la sua flessibilità è piuttosto limitata. La capacità di modulare l’erogazione della potenza è molto inferiore rispetto al Diesel. I motori elettrici hanno un regime di rotazione fisso, può essere 1500 o 3000 giri/min. L’energia meccanica generata dal motore deve essere trasmessa agli organi di utilizzo. Il motore diesel ha due modalità, rappresentate da cambi e alberi meccanici (detti organi rigidi) e dalla trasmissione oleodinamica.

Nel caso del motore elettrico, l’energia è trasmessa dall’albero, dov’è resa disponibile, tramite fluidi (trasmissione oleodinamica), ma più spesso è trasmessa con organi flessibili di trasmissione, sistemi più leggeri e facilmente regolabili.

La trasmissione ha due ruoli fondamentali. Prima di tutto trasporta l’energia al carico, ossia al dispositivo che deve contrastare le forze o i momenti resistenti: la potenza in ingresso alla trasmissione (Pm) non arriva per intero al punto di utilizzo perché attraversando gli organi di distribuzione parzialmente viene dissipata in calore. Il rendimento di trasmissione (η) indica le perdite di trasmissione che avvengono: generalmente il rendimento è compreso tra 85% e 95%.

La seconda funzione della trasmissione è quella di adattare l’energia alle esigenze specifiche del processo. Viene modificata la modalità di trasmissione di potenza attraverso il rapporto di trasmissione, ovvero il rapporto di demoltiplicazione (o moltiplicazione). Molto più spesso l’esigenza primaria è quella di alzare la coppia e quindi ridurre il numero di giri. Quando i > 1 la trasmissione è un riduttore di giri, mentre quando i < 1 è un moltiplicatore di giri.

In sintesi, la trasmissione trasporta la potenza dal punto di generazione al punto di utilizzo e poi ne regola alcuni parametri, come l’adattamento della potenza al carico cui viene applicata.

La trasmissione dell’energia meccanica avviene attraverso:

• Organi meccanici rigidi, come sistemi a ingranaggi;
• Organi deformabili, come cinghie e catene; il 95% degli organi flessibili sono costituiti da cinghie;
• Circuiti oleodinamici.

Si ricorre ad organi flessibili e circuiti oleodinamici nel caso, ad esempio, di impianti mobili come la mietitrebbiatrice.

Trasmissione a cinghia

La cinghia è molto utilizzata in applicazioni che non richiedono grande accuratezza nel rapporto di trasmissione, è adatta a trasmissioni anche a notevole distanza e lavora bene in ambienti sfavorevoli. Ha la capacità di ammortizzare brusche variazioni di carico (per implicito effetto di frizione), tollerare allineamenti imperfetti, in più non richiede lubrificazione. Si tratta di un nastro chiuso che collega due pulegge (dischi scanalati a gola trapezoidale). Le pulegge sono montate sull’albero primario e secondario, la cinghia alloggia all’interno delle gole delle pulegge.

Per ottenere il massimo attrito, quindi avere la massima coppia trasmessa alla cinghia, è necessario massimizzare il contatto tra cinghia e puleggia, per questo si usano molto spesso cinghie a V o trapezoidali che aumentano la superficie di contatto. Sono composte da materiali polimerici intessuti all’interno con fili in acciaio o nylon che conferiscono notevole resistenza. Si caratterizza per un’elevata velocità periferica di rotazione (30 m/s) garantendo al contempo elevata silenziosità. L’angolo di abbraccio è la porzione di puleggia che resta in contatto con la cinghia.

Grazie all’elevato contatto una delle pulegge può essere molto diversa per dimensioni rispetto all’altra, per cui è possibile ottenere un elevato rapporto di trasmissione. Qualora fosse necessario evitare ogni forma di slittamento si utilizzano le cinghie sincronizzate o dentate, le quali hanno rendimenti più elevati (98%), ma non sopportano grandi coppie, per cui non sono adatte a trasmissioni ad elevata potenza.

Uno dei vantaggi connessi a questa trasmissione è quello di ottenere un rapporto di trasmissione variabile in continuità: con questa trasmissione meccanica è possibile modificare con continuità (senza molteplici passaggi) il rapporto di trasmissione e ottenere un regime di rotazione dell’albero di uscita direttamente dall’albero di entrata.

La modulazione di continua prevede la variazione dei due diametri delle pulegge. Questo è reso possibile dal fatto che in realtà le pulegge sono composte da due dischi (semi-pulegge con profilo a V) che possono essere allontanati o avvicinati: tipicamente una delle due pulegge è passiva e si adatta alla variazione del diametro all’altra con delle molle. Le due pulegge possono essere distanziate da un comando idraulico: avvicinandole esse variano parallelamente i loro diametri, se uno aumenta l’altro diminuisce per il vincolo della lunghezza della cinghia.

Questo permette di variare il rapporto di trasmissione, dato che i diametri cambiano (D1/D2). La cinghia ha un limite di coppia trasmissibile, per poterlo definire bisogna valutare le forze che agiscono sulla puleggia motrice. Tali forze sono la tensione resistente (T1), espressa in virtù della resistenza incontrata sull’albero secondario, e la tensione del lato scarico (T2), la quale favorisce l’avanzamento della cinghia.

La tensione efficace (o forza netta) che si sviluppa sulle due parti della cinghia T1 - T2 determina l’attrito con la puleggia; è data dalla sottrazione tra le due tensioni, essa dipende da due fattori:

• L’angolo di abbraccio (θ), perché quanto maggiore è il contatto con la puleggia, tanto maggiore sarà la forza che la cinghia riesce a trasmettere;
• Il coefficiente di attrito, k, che varia in base al materiale di cinghia e puleggia.

La forza netta che una trasmissione può sopportare cresce esponenzialmente in funzione dell’angolo e della profondità delle gole. Il tensionamento ottimale (T1/T2) dev’essere circa pari a 4-5: l’albero di trazione ha una tensione 4-5 volte l’albero del lato scarico. Una trasmissione correttamente dimensionata ha uno slittamento nell’ordine dell’1-2%, mentre il rendimento è circa il 95%.

Per ottenere un rendimento ottimale dobbiamo regolare le due tensioni in modo da avere 1/5 di tensione dal lato scarico. Una T2 troppo bassa comporta ad avere una cinghia non ben tesa, mentre se fosse troppo alta causerebbe una perdita di rendimento sia per lo sforzo che si determina sugli alberi (la puleggia lavora male) sia per le sollecitazioni intense scaricate sulla cinghia (logoramento meccanico spiccato) e perché la tensione netta trasmessa sarebbe ridotta. La potenza trasmessa alla cinghia si calcola:

P = (T1 - T2) × v / 1000

La differenza tra T1 e T2 è la forza netta, mentre v risulta essere la velocità lineare (m/s). La potenza in questa formula è misurata in kW.

Movimentazione di prodotti solidi

Il sistema più utilizzato è il trasportatore a coclea, molto diffuso nei centri aziendali, con lunghezze in genere limitate a 50 m a causa della resistenza strutturale dell’albero e della coppia resistente (oltre devono essere costituiti impianti fissi). Frequentemente è montata su telai mobili per carico e scarico di prodotti in diversi punti dell’azienda. Si tratta di una vite senza fine ricavata attorno ad un albero di sostegno, incamerata in un tubo di contenimento del prodotto.

L’albero della coclea è azionato da un motore elettrico integrato all’interno della macchina stessa a cui è collegato con una catena con carter (caso più frequente), altre volte la coclea ha una parte terminale dotata di un maschio scanalato azionabile dalla pdp meccanica. Il prodotto entra da una luce di carico e avanza grazie alla rotazione della vite senza fine.

Da un punto di vista quantitativo il trasporto che si ottiene può essere descritto con un’equazione di flusso:

Q = 3600 × v × A × i

Tale portata è misurata in m³/h. v è la velocità media di trasporto (m/s), A è la sezione della coclea (mm²) ed i è un fattore di riempimento il quale indica quanto della sezione è occupata dal prodotto (variabile in base al tipo di prodotto). La velocità lineare di avanzamento (v, m/s) del prodotto è uguale al tratto di spazio che il prodotto percorre ad ogni giro completo dell’albero di coclea (p, in metri), moltiplicato per il regime di rotazione di quest’ultimo (n, rpm).

L’avanzamento impresso al prodotto da un giro di coclea corrisponde al passo della stessa, ovvero la distanza in cui si replica la generatrice della coclea.

v = (p × n) / 60

Costruttivamente le coclee hanno un passo circa pari al diametro. È possibile quindi sostituire nella formula soprastante il passo con il diametro. Per un sistema a coclea la portata massica (kg/h) è calcolata come segue:

Q_m = 47 × A × v × ρ × i

Il grado di riempimento per i prodotti piuttosto regolari come la granella è prossimo al 50%; farine e trinciati hanno i pari circa al 25-30%, mentre i materiali abrasivi come la sabbia hanno i del 15% circa. ρ è la densità del prodotto, n il regime di rotazione della coclea.

Due sono i parametri di scelta che definiscono tale equazione: il diametro ed il regime di rotazione del motore di alimentazione. Il regime di rotazione ha dei limiti strutturali e connessi al prodotto che deve essere trasportato, ad esempio le sementi, delicate, non devono essere trasportate ad una velocità superiore a 2-3 giri/s, mentre gli sfarinati sono trasportati anche a 300 rpm. Il regime n di rotazione della coclea è inversamente proporzionale alla delicatezza del prodotto, va da 60 a 3000 giri al minuto.

Dal punto di vista energetico, scomponiamo le esigenze di assorbimento della coclea a vuoto e gli assorbimenti aggiuntivi dovuti al materiale trasportato. La potenza necessaria alla movimentazione a vuoto è proporzionale alla lunghezza della coclea ed alla velocità di funzionamento (rotazione albero). La relazione empirica spiega la potenza a vuoto:

P_vuoto [kW] = L × n × k

La potenza della coclea a vuoto è data dalla sua lunghezza moltiplicata per il regime di rotazione e il coefficiente di proporzionalità k. Tale coefficiente cresce al crescere del diametro della coclea, varia da 0,05 a 0,6.

La potenza impiegata per la movimentazione del materiale viene scomposta in due componenti. Se la coclea non è posta orizzontalmente, infatti, devo considerare una componente di sollevamento, quindi divido in due vettori la potenza totale. La componente orizzontale vede una proporzionalità diretta tra la lunghezza e la portata (kg/s); il coefficiente di proporzionalità è correlato all’attrito del materiale esercitato (k va da 8-10 J/kg*m per le granelle, a 15-20 per gli sfarinati, a 20-40 per i trinciati e fibrosi). La componente di sollevamento è data dall’energia potenziale ovvero QgH.

Unendo le componenti si ottiene l’assorbimento di potenza che si aggiunge a quello di potenza a vuoto e definisce la potenza necessaria a compiere lo spostamento del prodotto:

P_tot [kW] = (L × Q × k) + QgH

È possibile costituire impianti a coclea con componenti orizzontali e verticali, oppure inclinati. Un’alternativa che si trova nei grandi impianti (e grandi carichi), come quelli di essiccazione aziendali, è il sollevatore a tazze. È costituito da una lunga catena su cui sono montati contenitori che accolgono un certo volume di materiale sollevandolo e scaricandolo nel punto di uscita. In questo caso la portata di trasporto si ottiene come prodotto della capacità della singola tazza per la velocità di risalita, ovvero per il numero di tazze che raggiungono l’apice nell’unità di tempo. Nel calcolare la portata, anche in questa situazione dev’essere considerato il tasso di riempimento. Questi sono impianti fissi, dedicati a elevate portate, possono raggiungere altezze elevate (decine di metri). Con questo sistema si perde il beneficio della coclea, la quale può essere spostata.

Movimentazione di fluidi: trasmissioni di potenza oleodinamiche o idrauliche

Le trasmissioni oleodinamiche sono basate sull’impiego di olio che permette di trasmettere potenza tra il generatore e il punto di idraulico sotto forma di pressione, sono molto diffuse sulle macchine agricole. Le trasmissioni idrauliche si ritrovano anche in impianti aziendali: l’interfaccia con l’operazione non avviene tramite motore elettrico, ma avviene con motori idraulici che beneficiano dell’autolubrificazione, riconvertendo l’energia di pressione in energia meccanica.

L’ampio utilizzo di queste trasmissioni è dato da due caratteristiche principali:

• Esiste la capacità di concentrare elevati valori di potenza con ingombri minimi, quindi in situazioni in cui lo spazio allocato per i sistemi di trasmissione è molto limitato, non lineare ed angusto. Il sistema oleodinamico si adatta quindi ad impianti di architettura complessa.
• Le trasmissioni meccaniche hanno bisogno di una progettazione pensata ad hoc. L’attenzione progettuale per la creazione di macchine operatrici è rivolta su alcuni aspetti fondamentali che però lasciano in secondo piano la progettazione della trasmissione, questo fa sì che lo spazio fisico dedicato alla trasmissione sia piuttosto ridotto e irregolare: se tutte le trasmissioni fossero meccaniche le macchine avrebbero dimensioni mastodontiche.

La trasmissione oleodinamica si rivela utile per...