Attrezzature agricole meglio l’azionamento idraulico

La riduzione dei consumi di carburante è uno degli obiettivi principali nello sviluppo di nuovi trattori, in quanto comporta una riduzione delle emissioni, dei costi operativi e di conseguenza una maggiore soddisfazione dei clienti. Negli ultimi trent’anni, il consumo specifico dei motori per trattori (cioè la quantità di carburante bruciato per generare 1 kWh di energia) è stato ridotto di più del 20% e questo obiettivo è stato raggiunto grazie a una continua ottimizzazione. Il consumo specifico varia notevolmente in funzione del punto di funzionamento del motore e pertanto quest’ultimo determina il potenziale impatto ambientale di una lavorazione.

In Fig. 1 è riportata la mappa del consumo specifico di un motore installato in un trattore da 100 CV e da essa si può evincere che:

- il punto di minimo consumo specifico globale (indicato con l’asterisco) è situato appena al di sotto del punto di coppia massima;

- quanto più il punto operativo del motore si avvicina alla curva di coppia, tanto più il consumo specifico si abbassa. Infatti, man mano che aumenta il carico motore, ad esempio agendo sull’acceleratore, il motore risulta essere più efficiente. Supponendo che una macchina operatrice abbia un assorbimento di 35 CV, il motore può erogare questa potenza a bassi regimi con un alto carico motore o ad alti regimi con un carico motore basso (Fig. 2). Tra le due condizioni, la prima è quella preferibile dal punto di vista dei consumi.

L’efficienza dei motori a combustione interna

Dalle precedenti affermazioni si può arrivare alla considerazione che i motori a combustione interna sono particolarmente efficienti quando vengono utilizzati quasi al limite e pertanto è importante evitare di utilizzare macchine eccessivamente potenti rispetto alla richiesta di potenza della lavorazione. Quando al motore è richiesta una potenza ben inferiore a quella massima che può erogare, è necessario che l’operatore faccia lavorare il motore nel modo giusto. Nello specifico è consigliabile operare con rapporti lunghi e alto carico motore piuttosto che usare rapporti corti con bassi carichi. Questa regola è applicabile per le lavorazioni con macchine passive (ad esempio gli aratri) o per i trasporti, mentre per le operazioni che richiedono l’uso della presa di potenza (come ad esempio l’irrorazione), l’operatore è costretto a far operare il motore a determinati regimi in modo che la presa di potenza ruoti a una delle velocità nominali (540 o 1.000 rpm). Questi regimi sono solitamente il regime della massima coppia e potenza rispettivamente per la modalità economica e quella standard della presa di potenza (Fig. 3).

La presa di potenza economica viene usata al fine di risparmiare carburante e infatti si possono ridurre i consumi fino al 18% [1]. Il posizionamento delle velocità nominali è ottimale per le attrezzature più pesanti, ma in quelle più leggere, come ad esempio le macchine spandiconcime e le seminatrici, l’operatore è obbligato a far lavorare il motore a regimi eccessivamente alti e quindi con bassi carichi motore. In tali circostanze, il motore opera in un punto di lavoro non efficiente. Per diminuire il consumo specifico sarebbe opportuna una trasmissione tra motore e presa di potenza con una minore riduzione oppure un cambio di velocità della presa di potenza con un maggiore numero di rapporti per ciascuna velocità nominale. Tuttavia, tale soluzione non è stata mai proposta da alcun costruttore, probabilmente perché avrebbe richiesto modifiche importanti alla scatola della trasmissione che, tra l’altro, in molti trattori funge da elemento portante. Una soluzione più complessa è l’adozione di una trasmissione a variazione continua tra motore e presa di potenza, soluzione che è stata anche brevettata dal gruppo Cnh Industrial, ma non è mai stata introdotta sul mercato.

Tutti i vantaggi rispetto alla presa di potenza

Recentemente, alcuni costruttori di attrezzature hanno proposto spandiconcime e seminatrici azionati dai distributori idraulici del trattore invece che dalla presa di potenza. Questa soluzione consente all’operatore una maggiore libertà nel fissare il regime motore durante una lavorazione e quindi di poter far operare il motore a un regime inferiore di quello della massima coppia se le condizioni operative lo consentono. In tali attrezzature i distributori idraulici del trattore alimentano un motore idraulico che nelle seminatrici serve per azionare la pompa di depressione (che tra l’altro è l’elemento più energivoro della macchina), mentre negli spandiconcime muove i dischi di distribuzione (foto 1).

In passato non era possibile introdurre sul mercato attrezzature idrauliche, in quanto la potenza idraulica gestibile dai circuiti idraulici integrati nei trattori era poco più che sufficiente per azionare degli attuatori lineari. I nuovi trattori, invece, hanno pompe e scambiatori che sono capaci di gestire potenze idrauliche considerevoli. A titolo d’esempio, in un moderno trattore da 140 CV i distributori erogano una portata d’olio di 90 l/min e una potenza idraulica di quasi 45 CV [2]. Sempre a titolo d’esempio, lo spandiconcime Kuhn Axis H-EMC richiede una portata ai distributori idraulici di almeno 45 l/min per funzionare correttamente, portata oramai erogabile dalla quasi totalità di trattori sopra i 100 CV.

Tuttavia, maggiore è la portata massima erogabile dal circuito idraulico, minore è il regime motore necessario per erogare la portata richiesta dall’attrezzatura e quindi maggiore è il risparmio di carburante ottenibile dall’azionamento idraulico rispetto a quello meccanico. È risaputo che una trasmissione idraulica è meno efficiente di una meccanica; infatti, il 95% della potenza al motore è disponibile alla presa di potenza, mentre non più dell’85% è disponibile ai distributori idraulici. Tuttavia, l’ottimizzazione del punto di funzionamento del motore può controbilanciare le maggiori perdite dell’azionamento idraulico. Infatti, i benefici sono tanto maggiori quanto più la richiesta di potenza dell’attrezzatura è bassa. Prove sperimentali svolte su un trattore da 90 CV hanno evidenziato che quando il motore erogava meno di 38 CV, l’azionamento idraulico portava a una riduzione dei consumi di carburante[3].

La riduzione dei consumi di carburante non è l’unico vantaggio dell’azionamento idraulico. Possiamo annoverare anche una migliore sicurezza per l’operatore e una migliore funzionalità del trattore. È noto che l’albero cardanico è un’importante fonte di rischio visto che, se non ben protetto, può aggrapparsi a lembi o cinghie di tute di lavoro causando incidenti quasi sempre letali. A questo si aggiunge una migliore ergonomia dell’operatore durante l’accoppiamento, perché non è obbligato a movimentare l’albero cardanico, dal peso di diversi chilogrammi, in posizione chinata, cosa che alla lunga può portare a mal di schiena o altre malattie professionali.

Infine, l’assenza dell’albero cardanico lascia all’operatore maggiore libertà nelle manovre, come compiere sterzate strette col trattore o sollevare l’attrezzatura con l’albero cardanico in rotazione senza doversi curare che questo possa danneggiarsi. Infine, la rimozione dell’albero cardanico semplifica anche la manutenzione ordinaria, visto che l’operatore non deve più perdere tempo per ingrassarlo.

In futuro l’azionamento elettrico

Per i motivi illustrati in questo articolo, si stanno proponendo da tempo soluzioni che consentono di non usare l’albero cardanico per l’azionamento di attrezzature. L’azionamento idraulico è sicuramente una soluzione disponibile in commercio per alcune attrezzature, ma che in futuro potrà essere sostituita dagli azionamenti elettrici come già proposto dalla New Holland e Nobili (foto 2) che hanno utilizzato la presa elettrica dell’AEF (foto 3). In questo caso, la presa elettrica AEF può sostituire non solo la presa di potenza, ma anche i distributori idraulici per l’azionamento degli attuatori e questo può incrementare la sicurezza e ridurre il tempo necessario per l’accoppiamento dell’attrezzatura.

Riferimenti

[1] Varani, M., Mattetti, M., & Molari, G. (2021). Performance Evaluation of Electrically Driven Agricultural Implements Powered by an External Generator. Agronomy, 11(8), 1447.
[2] Nebraska Summary: S1098 New Holland T6.145, https://tractortestlab.unl.edu/test-page-nttl.
[3] Thomas, R. S., & Buckmaster, D. R. (2005). Development of a computer-controlled, hydraulic, power take-off (PTO) system. Transactions of the ASAE, 48(5), 1669-1675.