Analisi e simulazione di circuiti idraulici per macchine movimento terra

L’obiettivo principale di questo lavoro è quello di analizzare e modellare i circuiti idraulici di due macchine movimento terra, in particolare di un telehandler e di un escavatore al fine di comprendere l’attuale soluzione circuitale e di far emergere pregi e difetti con lo scopo di mantenere i primi risolvendo i secondi. Al fine di avvalorare le supposizioni teoriche, sia simulazioni che campagne sperimentali sono state condotte. Le prime, anche se con margine di errore, permettono di risparmiare in termini di denaro e fornisco quantità difficilmente misurabili o estremamente costose da ottenere. Le seconde invece confermano in modo inequivocabile la risposta della macchina, ma le informazioni desumibili sono limitate a meno che non venga effettuata un’estesa campagna sperimentale. Su queste fondamenta si è deciso di modellare i circuiti idraulici delle macchine e di tararli sulla base di test sperimentali con l’intenzione di utilizzarli per valutazioni sia di tipo energetico che di controllabilità.Dapprima vengono esposte le differenti soluzioni circuitali per macchine movimento terra adottate dai principali costruttori; soluzioni che cercano di migliorare la controllabilità e l’efficienza energetica e ridurre la complessità del circuito. Gran parte delle nuove soluzioni vedono sempre più un pesante apporto di elettronica sulla macchina (trasduttori ed elettrovalvole) in quanto rende facilmente attuabili strategie di controllo difficilmente implementabili per via idraulica e/o meccanica. Dopo questa parte si inizia ad analizzare in dettaglio il circuito idraulico dell’escavatore partendo dal pacco distributori, che sono stati modellati in modo dettagliato, ma sempre con un occhio di riguardo ai tempi di calcolo. Infatti una modellazione troppo dettagliata dei componenti porta ad eccessivi tempi di simulazione del sistema con scarso apporto in termini di qualità dei risultati. Un altro esempio riguarda il gruppo di alimentazione che deve essere approssimato, ma la logica di controllo deve essere fatta in modo dettagliato al fine di descrivere la variazione della cilindrata che avviene durante i movimenti. Inoltre viene presentata la modellazione degli altri componenti del circuito con l’intento di mostrare le tecniche, le semplificazioni e le assunzioni effettuate per ottenere i risultati presentati. A tal proposito i principali azionamenti, quali la movimentazione del boom, dello stick, del bucket, della torretta e della traslazione, sono stati validati con lo scopo di simulare con buon margine di approssimazione i movimenti simultanei più ricorrenti nella vita della macchina. In questo senso ci si è ispirati alla norma Giapponese JCMAS, che descrive i principali cicli di lavoro al fine di caratterizzare anche il consumo di combustibile della macchina. In questa direzione si è cercato di proporre un metodo di valutazione virtuale di quest’ultimo per mezzo di una mappa di consumo del motore termico associata ad un modello semplificato di motore termico. Nella seconda parte prendendo spunto dall’analisi effettuata sull’escavatore, si è analizzato il circuito idraulico del telehandler che è ancora a livello prototipale. Su questo si sono analizzati i possibili interventi volti a migliorare sia la controllabilità del mezzo che la sicurezza e il risparmio energetico. Nell’ordine sono stati introdotti i distributori post-compensati, la separazione del circuito delle forche da quello della compensazione, è stata assicurata la discesa del braccio in caso di avaria e la rigenerazione di portata durante la discesa del braccio. Le idee poc’anzi esposte sono state implementate in AMESim al fine di avere un riscontro quantitativo delle soluzioni proposte. Per compiere le simulazioni sono stati utilizzati differenti metodi di modellazione del braccio uniti a differenti metodi di simulazione. In particolare si è ricorsi sia alla Geometria Planare previamente utilizzata per l’escavatore, all’accoppiamento tra Virtual Lab Motion e AMESim sia in co-simulazione che in simulazione accoppiata con lo scopo di comprendere quale è la soluzione migliore in termini di velocità di simulazione. Altre proposte di intervento sono state valutate e comprovate tramite simulazione.