Aggiornamento sulle caratteristiche tecniche delle trattrici, delle macchine per la protezione delle colture e delle macchine per la minima ...
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Aggiornamento sulle caratteristiche tecniche
delle trattrici, delle macchine per la protezione delle colture
e delle macchine per la minima lavorazione del terreno
Bologna
11 giugno 2018
Principali linee di ricerca • Progetto di test di durata su trattori agricoli • Metodi per il dimensionamento e la verifica di trasmissioni per trattori • Uso di droni e robot per l’agricoltura di precisione • Valutazione delle prestazioni di macchine per la lavorazione del terreno
Definizione di target progettuali per trattori
Market
data
Field measures Testing facility
Mission
profile
Customer
usage
Target load definition Correlation
Durability test
Macchine per la lavorazione del terreno
Il trattore, tra novità e
prospettive
Ing. Michele Mattetti
Dip. di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari
Alma Mater Studiorum – Università di Bologna
Viale G. Fanin 50 - Bologna
Il trattore e le filiere
CEREALI ORTOFRUTTA
LATTE E CARNE
VITIVINICOLA
Principali settori di sviluppo • Motori ed emissioni • Cambi • Cabine: ROPS, FOPS, comfort • Freni • Trazione • CAN-Bus E ISOBUS • Localizzazione e gestione flotta • Elettrificazione
Motori: evoluzione
Evoluzione potenza specifica [CV / litro]
110
109 + 265%
100 Motore Diesel Auto
90
Motore Diesel Agricolo
80 81
70
60 61
50 50 + 235%
40 41
35
30
26
20 21,2
10
0
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Motori: curve caratteristiche Coppia nuovi motori vs vecchi
Motori: curve caratteristiche Potenza nuovi motori vs vecchi
Motori: centraline
Motori: emissioni • L’EU ha definito delle normative (Stage) per limitare le emissioni dei motori diesel non stradali. • Ciascuna normativa impone dei limiti sugli inquinanti (CO, HC, NOx, PM) in funzione dalla potenza del motore. • Nel 2019 entrerà in vigore la normativa Stage V che imporrà un limite sul PM del 40% inferiore allo Stage IV. Nel diagramma a fianco: - Tier 3 = Stage III A - Interim Tier 4 = Stage IIIB - Tier 4 = Stage IV
Motore: emissioni Le emissioni di CO sono state ridotte del 30%, quelle di HC dell’80%, mentre quelle di NOx e PM del 95% dal 1996 e per la classe di trattrici di potenza compresa tra 130 e 560 kW.
Motore: EGR Obiettivo ridurre la produzione NOx reimmettendo una parte dei gas di scarico in camera di combustione. I gas esausti privi di ossigeno non partecipano alla combustione e la temperatura all’interno del cilindro si abbassa in modo da consentire una riduzione delle emissioni. Il sistema Egr (Exhaust Gas Recycling) è stato già ampiamente utilizzato da costruttori per soddisfare i limiti imposti dalla normativa Tier 3.
MOTORE: FAP • Costituito da un filtro in ceramica che trattiene le polveri sottili. • Dopo un certo numero di ore di utilizzo tale filtro può intasarsi e deve essere ripulito (rigenerazione).
MOTORE: SCR • L’SCR (Selective Catalytic Reduction) è stato introdotto dai costruttori di trattori per adempiere alla normativa Stage IV. • L’SCR è un trattamento dei gas di scarico con una soluzione a base di urea ottenendo una miscela di acqua e azoto. • È costituito da un iniettore di urea ed un catalizzatore nel quale avviene la reazione chimica con i gas di scarico.
MOTORE
MOTORE: vigneti e frutteti?
Trasmissioni e cambi • Necessità di combinare il punto di funzionamento ottimale del motore (regime di potenza massima) con le condizioni di lavoro (velocità di avanzamento, forza al gancio). • Non sempre possibile con trasmissioni a rapporti finiti. • Necessità di poter cambiare marcia anche sotto carico per adeguare il motore alle condizioni locali del terreno.
Trasmissioni e cambi • Le trasmissioni si sono evolute verso: – incremento del numero di rapporti – riduzione dei tempi di cambiata • Questi principi hanno portato allo sviluppo di trasmissioni: – Full Power Shift (FPS) – Continuously Variable Transmission (CVT) – Dual Clutch Transmission (DCT)
Cambi: FPS • Trasmissioni meccaniche dotate di innesti con frizioni elettro- idrauliche in sostituzione dei classici innesti con sincronizzatori. Questi innesti permettono cambi marcia molto rapidi.
Cambi: CVT • Costituite unendo un’unità idrostatica con una meccanica con flussi di potenza combinati da un rotismo epicicloidale. • Il rapporto di trasmissione può essere variato con continuità grazie all’unità idrostatica costituita da un gruppo motore- pompa. • Sono più complesse, ma consentono di utilizzare sempre il motore nel suo punto di funzionamento ottimale.
Cambi: DCT • Costituita da due alberi secondari sui quali sono presenti le ruote dentate delle marce pari su uno e dispari sull’altro. • Quando è inserita una marcia, nell’altro albero viene preinserita una delle due marce adiacenti spostando il corrispettivo manicotto. • Per effettuare il cambio marcia viene staccata la prima frizione e innestata la seconda.
Cabine • Visibilità ed ergonomia • Cabine filtrate • ROPS • FOPS
Cabina: visibilità Massima visibilità all’esterno, senza zone d’ombra soprattutto posteriore e anteriore. Cabine quasi completamente vetrate, cofano ribassato per una visione migliore soprattutto dell’attrezzo portato anteriormente.
Cabina: ergonomia
• L’accessibilità al posto di
guida con scalette
antisdrucciolo e
manocorrenti.
• Regolazione inclinazione e
altezza del volante di guida.
• Le leve del cambio sono in
posizione laterale o al volante
per un libero accesso al
sedile
• Comandi ergonomici.
• Computer di bordo per il
controllo e gestione del
trattore.
• Il sedile è regolabile con
schienale inclinabile,
rotazione parziale a destra e
a sinistra.Cabina: filtrazione Impianto di filtrazione a carboni attivi, necessaria una leggera pressurizzazione, in modo da essere sicuri che l’unica aria che entra in cabina sia quella preventivamente filtrata, e non quella dell’ambiente esterno circostante.
Cabina: filtrazione
• Le cabine filtrate si suddividono in 4 categorie:
• Categoria 1: non forniscono alcuna specifica protezione
contro alcuna sostanza pericolosa
• Categoria 2: forniscono protezione contro la polvere
• Categoria 3: forniscono protezione da polvere e aerosol
• Categoria 4: forniscono protezione da polvere, aerosol e
vapori.
• Possibilità di retrofit di vecchi trattori installando una cabina
di categoria superiore.Cabine: ROPS
Cabine: FOPS Fonte: https://worksafe.govt.nz/
Cabina: Sistemi sospensivi Al fine di ottenere una considerevole riduzione delle vibrazioni trasmesse all’operatore, le moderne trattrici possono avere sistemi sospensivi controllati sull’asse anteriore, sulla sospensione cabina e sulla sospensione sedile.
Sistemi sospensivi: Assale Sospensione idropneumatica dotata di un accelerometro che permette la regolazione automatica dello smorzamento sia in estensione sia in compressione.
Sistemi sospensivi: Cabina • Costituita da elementi idro-pneumatici con sistemi semi-attivi, quindi capaci di variare lo smorzamento. • Possibilità di sistemi a rigidezza e smorzamento variabili con predisposizione predittiva dei parametri ottimali della sospensione in funzione delle condizioni operative
Sistemi sospensivi: Sedile Sospensione con dispositivi attivi sedile (smorzamento controllato e rigidezza controllata)
Freni • Trattori di alta gamma vengono sempre più usati in strada per trasporto di attrezzatura o di materiale con rimorchi. • Incremento della velocità massima consentita in alcuni mercati europei ha evidenziato l’instabilità delle trattrici in frenata ad alta velocità. • L’adozione dell’ABS (Antilock Braking System) ha reso le trattrici più stabili in frenata. L’ABS è optional su trattori con velocità massima superiore ai 40 km/h ed obbligatorio per tutti i nuovi trattori con una velocità massima uguale o superiore a 60 km/h
Organi di trazione
• Trattori sempre più potenti ma anche più pesanti.
• Organi di trazione che scaricano pressioni sempre più
elevate sul terreno.
Fonte: Concept Study of a Modular and Scalable Self - Propelled
Fonte: Driver-Pressure-State-Impact-Response
Implement System
(DPSIR) Analysis and Risk Assessment for Soil
Compaction-A European PerspectiveOrgani di trazione Gli organi di trazione più comuni nei trattori moderni sono le ruote, tuttavia a causa dell’incremento della massa delle trattrici, le aziende stanno sviluppando organi di trazione alternativi che limitano il compattamento del terreno grazie ad una più estesa impronta a terra.
Organi di trazione: semi-cingoli
Organi di trazione • Necessità di adeguare costantemente la pressione degli pneumatici alle condizioni di lavoro al fine di ridurre il consumo di carburante e l’impatto delle ruote sul suolo. • Alta pressione in trasporto su strada e bassa in campo. • Sviluppo di sistemi di bordo per la regolazione della pressione degli pneumatici.
Sistemi di gestione della trazione
• Il setup del veicolo per la lavorazione è lasciato in mano all’esperienza
degli operatori i quali non sempre sono in grado di configurarlo in maniera
ottimale.
• Numerosi parametri da settare, quali:
• Zavorramento
• Pressione di gonfiaggio
• Velocità di lavoro
• In funzione delle informazioni fornite
dall’operatore, il sistema suggerisce
i parametri ottimali di utilizzo per
ottimizzare l’efficienza di trazione o
la produttivitàZavorre I sistemi di gestione della trazione possono essere vantaggiosi nel caso in cui i trattori sono muniti di sistemi rapidi di montaggio/smontaggio della zavorra oppure di supporti che possono spostare la zavorra anteriore e quindi di variare la distribuzione di massa del trattore.
CAN-Bus • Il continuo arricchimento di dispositivi elettronici ha comportato l’aggiunta di sensori per il controllo dei diversi sotto-sistemi. • Per limitare il numero di connessioni è stato sviluppato il CAN-Bus, che grazie ad una singola connessione permette il collegamento tra centralina e sensori. • Una singola connessione è molto più robusta di una serie di connessioni essendo le macchine agricole soggette a condizioni di lavoro impegnative.
ISO-Bus • Anche le macchine operatrici sono state arricchite con diversi sistemi di controllo questo al fine di avere una lavorazione più efficiente e veloce. • In queste è stato introdotto l’ISO-Bus il cui funzionamento è simile a quello del CAN-Bus. • Grazie all’ISO-Bus sono state sviluppate seminatrici dotate di controllo dei dosatori in modo tale da distribuire la quantità ottimale di semi in funzione dello stato del terreno o delle colture.
CAN-Bus e ISO-Bus • CAN-Bus e ISO-Bus hanno permesso l’utilizzo esteso dell’elettronica nella meccanica agraria ed una maggiore integrazione tra trattore e macchina operatrice. • Le macchine possono essere comandate con la strumentazione dal trattore senza la necessità di installare una specifica strumentazione per ciascuna macchina. • Tutto ciò ha consentito lo sviluppo della diagnostica di bordo, dell’agricoltura di precisione, della manutenzione predittiva e della gestione della flotta.
Localizzazione e gestione flotta • Le dimensioni agricole delle aziende stanno crescendo e pertanto anche il parco macchine.
Elettrificazione
• Utilizzo di componenti elettrici per permettere una gestione
più complessa dei diversi sottosistemi rispetto ad un
sistema puramente meccanico o idraulico.
• Attualmente non è presente alcuna macchina commerciale.
• Gli elementi che sono stati elettrificati sono:
– organi ausiliari;
– componenti di macchine agricole (ad esempio assali traenti di
rimorchi, irroratrici);
– trasmissione di potenza (uso combinato di un generatore-motore
elettrici).Elettrificazione • Recentemente è stato definito lo standard elettrico della connessione elettrica di potenza per le machine agricole; • Specifiche del connettore: • Pin progettati per 480VAC/700 VDC • Potenza massima trasmissibile 140 kW (200A) • Protezione IP6k9k e IP67 quando è collegato
Elettrificazione • Aratro semi-portato da 8 vomeri con ruota d’appoggio traente grazie ad un motore elettrico • Energia elettrica erogata da un generatore elettrico (100kW) azionato dalla PTO anteriore • Maggiore massa aderente e maggiore potenza del motore che funziona sulla curva di potenza boosterizzata.
Guida autonoma Fendt Guide Connect primo sistema commerciale di guida autonoma su un trattore agricolo.
IL FUTURO DEL TRATTORE: fino ad oggi Da piccoli trattori a grandi trattori
IL FUTURO DEL TRATTORE: da oggi in avanti (A) Ancora trattori sempre più grandi?
IL FUTURO DEL TRATTORE: da oggi in avanti (B) Tante piccole macchine (droni, rover, ..)?
Il trattore, tra novità e
prospettive
Ing. Michele Mattetti
Dip. di Scienze e Tecnologie Agro-Alimentari
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