Alcune idee innovative per il prossimo futuro delle macchine agricole

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Trasmissioni ibride, sistemi di comunicazione avanzati, powertrain innovativi… sono solo alcuni dei settori su cui si stanno concentrando i ricercatori di tutto il mondo. Vengono riassunti alcuni studi pubblicati sulle principali riviste scientifiche internazionali. Un modo per vedere dove tira il vento nell’industria delle macchine agricole.

Al giorno d’oggi ci sono due importanti linee di ricerca per migliorare le performance dei propulsori dei trattori agricoli. Una è quella di migliorare le prestazioni della trasmissione per soddisfare le esigenze di guida di veicoli basati su fonti di alimentazione tradizionali, come la trasmissione a variazione continua (CVT) che è stata ampiamente utilizzata negli ultimi anni per fare in modo che il motore abbia la potenza ottimale in diverse condizioni di lavoro. Un’altra tendenza è quella di studiare il lavoro coordinato di diverse fonti di alimentazione, al fine di garantire il superamento delle carenze di potenza mediante una doppia fonte di alimentazione, composta da un motore a combustione interna (ICE) e un motore elettrico (EM), con l’assistenza del motore elettrico per colmare la parte di carico non soddisfatto dall’ICE, migliorando al contempo anche l’efficienza energetica del sistema.

I trattori agricoli vengono impiegati per svolgere le operazioni più disparate: dalla movimentazione dei carichi all’aratura, al trasporto su strada a velocità consistenti (anche maggiori dei 40km/h cui sono limitati per il codice stradale italiano). Quando eseguono lavorazioni in campo, come ad esempio l’aratura, devono garantire principalmente trazione e forza di traino; quando effettuano il trasporto su strada, devono garantire il raggiungimento di elevate velocità, senza penalizzare i consumi e le emissioni rumorose. Per soddisfare questi requisiti, i trattori dotati di trasmissioni a power shift fanno ricorso a molti rapporti di velocità, grazie all’impiego di un certo numero di frizioni che collegano diversi alberi su cui sono calettate le ruote dentate, ma ciò rende anche complessa la struttura e il controllo della trasmissione. I trattori dotati di trasmissioni CVT (Continuously Variable Transmission), invece, sfruttano il collegamento in parallelo, mediante un rotismo epicicloidale, di un gruppo trasformatore (solitamente una trasmissione idrostatica, ma potrebbe anche essere un motore elettrico) con un albero di trasmissione meccanico. Grazie a questo tipo di collegamento è possibile ottenere un numero infinito di rapporti,
compresi tra il minimo ed il massimo, fisicamente limitati dalle dimensioni dei componenti della trasmissione. Grazie all’ampia gamma di rapporti di velocità garantita rispetto ai trattori con cambio power shift, o con cambio tradizionale, la struttura degli spazi è ottimizzata e il peso dell’intero powertrain è ridotto. Inoltre, il comfort di guida del trattore è migliorato grazie al minor numero di cambi marcia e l’efficienza dell’intero powertrain risulta incrementato, perché l’ICE funziona sempre nella zona di rendimento massimo.

Per fare alcuni esempi, la trasmissione idromeccanica sviluppata da Fendt divide la potenza attraverso l’ingranaggio planetario, eliminando la necessità di complesse tra- smissioni a più marce e consentendo al trattore di essere azionato su un’ampia gamma di velocità semplicemente controllando l’angolo di rotazione della pompa e del motore (0~45°); ma le trasmissioni con pompa e motore a cilindrata variabile sono più costose rispetto a quelle che sfruttano una pompa variabile ed un motore a cilindrata fissa. La trasmissione idromeccanica a 4 ingranaggi epicicloidali sviluppata da Steyr può erogare velocità variabile a regime motore costante e ottenere una regolazione continua della gamma di velocità da 0 a 50 km/h senza interruzioni di alimentazione ma l’integrazione tra la struttura degli ingranaggi multi-planetari e la strategia di controllo del cambio è tutt’altro che banale [1].

Anche nel settore automotive sono state sviluppate trasmissioni power shift, sempre con l’obiettivo di far lavorare l’ICE nella zona di massima efficienza energetica. Anche in questo caso l’accoppiamento tra i due sistemi avviene mediante un rotismo epicicloidale, ma al posto della trasmissione idrostatica si impiega un mo- tore elettrico [2].

Solo di recente si sta assistendo ad un simile cambio di layout nel settore dei trattori agricoli. Landini [3] ha recentemente presentato il modello REX 4 Electra, che prevede l’installazione di motori elettrici sull’assale anteriore, mentre la driveline risulta essere composta da un tradizionale cambio meccanico robotizzato.

Un altro esempio di trattore agricolo che combina una doppia sorgente di potenza (elettrica + ICE) è stato da poco presentato da alcuni ricercatori cinesi [4]. In questo caso (Figura 1), le due sorgenti di potenza possono lavorare alternativamente o in sincrono. Il motore a combustione viene interfacciato col veicolo mediante una tradizionale trasmissione idromeccanica powersplit, mentre il motore elettrico si trova calettato sul ramo meccanico, quindi può intervenire in diversi modi: 1) può sommare la propria potenza a quella fornita dall’ICE; 2) se non alimentato viene visto come una semplice massa volanica, senza interferire col funzionamento della idromeccanica; 3) se il ramo idraulico ha la pompa a cilindrata zero, il moto viene fornito esclusivamente dal motore elettrico, trasformando quindi il trattore in un ZEV (Zero Emission Vehicle). La soluzione proposta dai ricercatori cinesi risulta interessante, perché permette di far coesistere diverse modalità di funzionamento della trasmissione, che possono essere impiegate a seconda delle condizioni di lavoro richieste dal trattore. In particolare (Figura 2), si nota che la trasmissione permette al veicolo di avviarsi in modalità totalmente idrostatica [F(H)], per garantire il necessario rapporto di trasmissione per le lavorazioni in campo o quando è necessario avviare il veicolo con un carico elevato. In funzione delle frizioni e dei freni che vengono azionati (si rimanda all’articolo in bibliografia per maggiori dettagli), è possibile passare, all’aumentare della velocità, attraverso due modalità di funzionamento power shift con suddivisione di coppia, [F(HM-1)], [F(HM-2)] in modo da mantenere elevata l’efficienza della trasmissione al variare delle cilindrate, e quindi delle efficienze, delle unità idrostatiche. Nell’ultima fase del diagramma, grazie all’intervento del motore elettrico calettato sul ramo meccanico, è possibile trasformare la trasmissione in un’idromeccanica a suddivisione di velocità, la cui efficienza aumenta all’aumentare della velocità del veicolo, dato che in queste condizioni il ramo idraulico tende al sincronismo e la maggior parte della potenza fluisce attraverso il ramo meccanico. Secondo gli autori la trasmissione così concepita è in grado di garantire un’efficienza pari a circa l’80% in un range di velocità comprese tra 10 km/h e 60 km/h.

Smart farming

L’innovazione nel settore delle macchine agricole non può prescindere dall’impiego delle ultime tecnologie in termini di sistemi di comunicazione e sensorizzazione. L’impiego di sensori intelligenti, droni e trattori autonomi rappresenta l’immediato futuro della meccanizzazione agricola, soprattutto al fine di rendere le lavorazioni su terreni e colture sempre più ecocompatibili e sostenibili. Questa trasformazione digitale coinvolge una o più tecnologie come Internet of Things (IoT), Big Data, blockchain, digital twin e analisi dei dati in tempo reale mediante algoritmi di intelligenza artificiale (AI).

L’IoT, ad esempio, è considerato un vero punto di svolta nel sistema agroalimentare, in quanto può migliorare drasticamente produttività e sostenibilità. La produttività aumenta non solo grazie al lavoro automatizzato sul campo, ma anche grazie a un migliore processo decisionale, sfruttando i dati in tempo reale su colture, prodotti e tracciabilità lungo tutta la filiera alimentare. La tecnologia blockchain nei sistemi alimentari biologici, ad esempio, può migliorare la tracciabilità dell’utilizzo dei pesticidi e la trasparenza delle informazioni sugli alimenti e l’ubicazione dei prodotti mentre questi si spostano lungo la catena di approvvigionamento dal campo alla tavola [5].

In alcuni casi, la fattoria non necessita nemmeno più di controlli manuali per l’azionamento delle serrande o dei sistemi di climatizzazione dei locali in funzione dell’illuminazione e della stagione meteorologica. Vi sono diversi esempi di computer connessi a reti di monitoraggio (illuminazione, irrigazione, temperatura, umidità…) dell’azienda agricola al fine di poter facilitare e supportare il processo decisionale dell’agricoltore. Tutte queste tecnologie, che hanno ed avranno sempre di più in futuro un ruolo chiave per lo sviluppo di un’agricoltura di precisione, necessitano della possibilità di trasferimento dei dati in tempo reale, ossia di una connessione ad alta velocità.

Le attuali reti di comunicazione (3G-4G, Wi-Fi…) a causa delle limitazioni sulla disponibilità delle infrastrutture (Wi-Fi) o sulla larghezza di banda (3G-4G) non permettono un efficace trasferimento dei dati, quando invece la necessità di connettere device differenti che dialogano tra loro necessiterebbe del contrario. La mancanza di una rete di comunicazione efficiente è particolarmente evidente nelle aree rurali, laddove l’agricoltura di precisione potrebbe fornire risultati rilevanti, grazie allo scambio in tempo reale di dati e informazioni che possono aiutare il processo decisionale nelle operazioni quotidiane delle aziende agricole. Il numero crescente di dispositivi IoT necessari per l’agricoltura intelligente, richiede una connettività ad alta velocità per superare i problemi con l’attuale 3G-4G nella gestione di questo gran numero di dispositivi.

Il termine generico “5G” sta per le nuove tecnologie di comunicazione di quinta generazione che garantiscono bassa latenza, velocità di uplink e download più elevate e un numero maggiore di dispositivi connessi. Gli spettri compresi tra 2,4 e 3,5 Ghz hanno una copertura simile a quella dell’attuale rete LTE (Long Term Evolution), la cosiddetta banda media 5G. Velocità più elevate si ottengono utilizzando frequenze più elevate, ad esempio 3,5 GHz o superiori. La mancanza di una connessione wireless coerente e robusta nelle aree rurali potrebbe essere risolta da questa connettività ad alta velocità e bassa latenza.

Un interessante studio sull’impatto delle nuove reti di comunicazione 5G sull’agricoltura di
precisione è stato recentemente svolto da due ricercatori della Wageningen University, in Olanda [6], nel quale sono stati trovati 5 punti chiave che caratterizzano l’impiego di questo tipo di sistema di comunicazione: (1) la connettività 5G permette lo sviluppo di
un sistema di gestione-monitoraggio della filiera agrifood; (2) il 5G facilita l’impiego di dispositivi (motoseghe, tagliabordi, tagliaerba…) che inglobano sistemi IoT; (3) la maggiore velocità di questo sistema di comunicazione permette di ridurre i tempi di calcolo-monitoraggio della smart farm; (4) è possibile implementare una gestione real time della supply chain; (5) il 5G permette di implementare una azienda agricola intelligente dove le macchine possono dialogare tra loro, con il gestore e con il costruttore in modo più efficace.

Sul mercato si stanno già diffondendo prodotti per l’agricoltura e il giardinaggio che inglobano sistemi IoT, ad esempio per implementare logiche di manutenzione preventiva. In questi casi è importante che la macchina, sia essa un tagliaerba o un trattore da frutteto, abbia la possibilità di dialogare “facilmente” con la casa madre, al fine di informarla sullo stato d’uso e sulla necessità di intervenire prima che il guasto si manifesti.

La maggiore disponibilità di connessioni veloci e affidabili permetterà una migliore efficacia di tali sistemi e contribuirà alla diffusione delle smart farm.

 

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