L evoluzione tecnica delle macchine per il calcestruzzo

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1 DavideCipolla,CIFA L evoluzionetecnicadellemacchineperil calcestruzzo SOMMARIO Nel mercato europeo dei macchinari per il calcestruzzo, gli operatori chiedono prodotti sempre più ecologici, sicuri e affidabili. Il rispetto dei limiti di peso per gli allestimenti su autotelaio, l attenzione ai consumi e il rispetto delle normative ambientali sta guidando l'evoluzione tecnica verso nuove sfide tecnologiche. Seguendo l esperienza di successo del settore aerospaziale, anche sui macchinari per il calcestruzzo è in atto uno studio approfondito per l applicazione e l industrializzazione di nuovi materiali compositi che coniughino leggerezza, alta resistenza e sostenibilità ambientale, e che abbiano risvolti innovativianchesullaformaesullageometriadeinuoviprodotti. Questo percorso tecnico innovativo ha ancora un alto potenziale di sviluppo: si potranno raggiungere performance sempre più elevate in merito al risparmio energetico e alla riduzionedell usura,minimizzandosemprepiùilcostototaledellaproprietàdellamacchina. Alfinedirisponderealladomandadisicurezza,icostruttoridimacchinesistannoorientando anche allo sviluppo di sistemi di controllo automatici che garantiscano la stabilità della macchina in tutte le condizioni di lavoro presenti nei cantieri; dalla ridotta oscillazione del braccio di distribuzione ai sistemi e di allarme o di blocco che prevengano i contatti con le scaricheelettrichedellelineeadaltatensione. Infine,itestdisimulazionesulciclodivitadeiprodottisonosemprepiùimportantiperoffrire aiclientiprodottiaffidabiliesuggerimentiperlamanutenzioneprogrammatadellaflotta. 1. INTRODUZIONE LaRicercaeSviluppoapplicataallemacchineperilcalcestruzzodeveconsiderareconmolta attenzione queste linee guida per sviluppare prodotti e tecnologie adatte per raggiungere questi obiettivi, dando una reale risposta alle richieste del mercato, specialmente in questa fasediprofondarecessione. Lelineeguidaperl evoluzionetecnicanelsegmentodeimacchinariperilcalcestruzzosono: LeggerezzaeResistenza:NuoviMaterialieNuoveTecnologie Risparmioenergeticoerispettodell ambiente Sicurezzaecontrollodell automazione Stefania Alessandrini 3/7/12 16:08 Eliminato: Nelmercatoeuropeodeimacchinari perilcalcestruzzo,glioperatorichiedono prodottisemprepiùecologici,sicurieaffidabili.il rispettodeilimitidipesopergliallestimentisu autotelaio,l attenzioneaiconsumieilrispetto dellenormativeambientalistaguidando l'evoluzionetecnicaversonuovesfide tecnologiche. Stefania Alessandrini 3/7/12 16:10 Formattato: Tipo di carattere:(predefinito) +Titoli temi, 12 pt Stefania Alessandrini 3/7/12 16:10 Formattato: Tipo di carattere:(predefinito) +Titoli temi, 12 pt, Corsivo luglio 12 1

2 Affidabilitàedestenzionidigaranzia. 2. LEGGEREZZA E RESISTENZA: NUOVI MATERIALI E NUOVE TECNOLOGIE Lestruttureinacciaioaltoresistenzialehannogiàraggiuntoiproprilimitidisviluppoperla realizzazionedibraccididistribuzionedelcalcestruzzo. Grafico 1. Braccio in acciaio vs Braccio in carbonio Solol utilizzodidifferentitecnologiepuòguidareversounmiglioramentosignificativodelle struttureinterminidipeso. Laprincipalepossibilitàesploratafinoaquestomomentoèrappresentatadaimaterialinonferrosi. L esperienza derivante da altri campi di applicazione più avanzati (come l industria aerospazialeeilmondodellecorsesportive)indicanoneimaterialicompositicomelafibradi carbonio, una alternativa più che affidabile in termini di materiali strutturali, laddove le performancedell acciaiohannogiàraggiuntoilpropriolimiteevolutivo. La combinazione dei concetti di leggerezza, alta resistenza e sostenibilità ambientale impattanodirettamentesuiprodotti,considerandononsoloimateriali,laformaeildesignin cuisonorealizzati,maancheiprocessiconiqualivengonoprodotti. Questosforzoèprincipalmenteorientatoall adattamentoalnostrosettoredellatecnologiain questione, e a guidare il percorso di Ricerca e Sviluppo nei test dei nuovi materiali per la progettazionedibraccididistribuzionedelcalcestruzzo. Questo sentiero tecnologico è davvero innovativo ed ha un alto potenziale di sviluppo, e consente di ottenere una resistenza e una leggerezza non raggiungibili con i materiali tradizionali, avendo un impatto positivo sul risparmio di energia. Dal momento che le macchine(piùleggere)viaggianosustradaeconsumanocarburanti,questetecnologiesono impattanti in termini di riduzione delle emissioni dei mezzi, e trovano applicazione anche nellariduzionedelleusureabbassandoquindiilcostototalediproprietàdellamacchina Tecnologia: Fibra di carbonio e Forno di Polimerizzazione luglio 12 2

3 Il processo necessario per produrre oggetti in materiale composito è completamente differentedaiprocessicomunementeutilizzatiperlestruttureinacciaio.alpostodeltaglioe delle saldature (principale processo utilizzato per l acciaio), i principali passaggi sono rappresentatidallaprogettazionedeglistampiedaiprocessidipolimerizzazione. Figura 1. Forno di polimerizzazione e materia prima della fibra di carbonio 2.2. Il know-how dei materiali compositi: lo sviluppo e il trasferimento tecnologico Ilprimostepquandosirealizzanoinnovazionicosìradicalièlasceltadelmaterialepiùadatto, pervalutaresuccessivamente,elaprobabilitàdisuccessodellostessoallevarieapplicazioni industriali. Anche la caratterizzazione base dei materiali deve essere effettuata in modo da fornire un terreno di partenza per la fase di progettazione delle strutture con i corretti modelli di stress, in modo da valutarne la solidità e anche la resistenza, e per comprendere quale sia la durata del ciclo di vita di un siffatto prodotto. Queste attività, di norma, sono svolteincooperazioneconistitutidiricercaeuniversità. luglio 12 3

4 Figura 2. Prova di trazione, test a flessione e test di fatica 2.3. Bielle in acciaio vs Bielle in carbonio L usodeinuovimaterialiportaaduncompletoridisegnodiognicomponenteperpermettere il migliore sfruttamento delle caratteristiche degli stessi. Il peso risparmiato su ogni componentedelbraccio,comeadesempiolebielle,puòessereanchemaggioredel40%. Figura 3. Sinistra: Biella in acciaio. Destra: Biella in fibra di carbonio luglio 12 4

5 2.4. Un braccio di distribuzione più lungo e più leggero La fibra di carbonio, essendo più leggera e offrendo una resistenza più elevata rispetto all acciaio, permette di realizzare pompe autocarrate che rientrano nei limiti legali di peso, con un braccio di distribuzione più lungo che offre un vantaggio reale agli utilizzatori. La quartaelaquintasezionediunbracciolungo40metri,secostruiteincarbonio,permettono un risparmio di peso rispettivamente del 30% e del 20%, mentre in termini di lunghezza, i segmentisonopiùlunghirispettivamentedel17%edel18% Vantaggi Il peso e la resistenza (rigidità) non sono i soli vantaggi che questa tecnologia porta sul mercato.èpossibileaggirareilimitiimpostiperilmontaggiodiunbracciodidistribuzione piùlungosuuntelaioinconfigurazionestandardperiltrasportostradale. L esperienza sul campo dimostra come le saldature siano fonte di rotture indotte dalle ripetuteeprolungatesollecitazioni.leattrezzatureinmaterialecomposito,dopoilprocesso dipolimerizzazionediventanomonolitiche,etestspecificihannodimostratounelevatolivello di resistenza alle sollecitazioni; infatti le macchine superano i 10 anni di vita operativa simulatasenzaproblemi(testalbancoinscala1:1). Poiché la fibra di carbonio non è un materiale ferroso, la ruggine non è un problema. La leggerezza del braccio significa anche un momento ribaltante inferiore trasmesso alla strutturabasedellapompaautocarrata.questohauneffettodirettosiasulpesonecessario per stabilizzare tutte le macchine (camion più leggeri), che sull area occupata dagli stabilizzatori, permettendo un estensione dell area di utilizzazione netta della macchina, più grandequindidiquellanormalmentecopertadaunbracciodidistribuzionestandard. Tuttociò,quindi,permettedicreareunanuovalineadiprodottoconperformancepiùelevate. Usandosoloalcunicomponentiinfibracarboniolacrescitadeicostipuòesserecompensata da un risparmio sulle caratteristiche di omologazione del camion, e da un risparmio del carburanteutilizzato. Figura 4. Sintesi dei vantaggi dell utilizzo delle fibre di carbonio sulle macchine per il calcestruzzo luglio 12 5

6 2.6. Nuove frontiere per la nuova tecnologia dei materiali L utilizzo di nuovi materiali compositi, può aprire nuove frontiere, non solo sul design e la produzionedelbraccio,maanchesumoltealtrecomponentidellemacchineedegliimpianti dibetonaggio.iltargetèquellodiottenereprodottipiùleggeri,resistenticheforniscanoallo stessotemporesistenzaall usura,permettendounrisparmiodeicosti. Figura 5. Altri possibili campi di applicazione dei materiali compositi 3. RISPARMIO DI ENERGIA E RISPETTO DELL AMBIENTE Da un lato, l uso di materiali compositi innovativi (invece dei tradizionali materiali ferrosi), permettendodiraggiungereunacertaleggerezzadellamacchina,equindiuncertorisparmio di energia e una certa riduzione dell usura, riducono il costo totale di proprietà e di manutenzione della macchina. Dall altro lato, l evoluzione tecnica sulle macchine per il calcestruzzo, specialmente in questo scenario economico di recessione, deve focalizzarsi su tutte quelle tecnologie che sono state testate come efficaci nel campo dell efficienza energetica.letecnologieibride(motoridieseledelettrici)devonoessereutilizzateperunpiù basso consumo di energia sui macchinari e impianti per il calcestruzzo, e un attenzione sempremaggiorealletematicheambientali. 4. SICUREZZA E AUTOMAZIONE L elettronica può giocare un ruolo decisivo nelle applicazioni per pompe per il calcestruzzo, per rendere le operazioni svolte da queste attrezzature sempre più semplici, e per minimizzareirischidiincidentieinfortuni. Ilcontrollodistabilitàèunesempioditecnologiagiàdisponibileapplicataaquestocampodel sapere,peraffrontarealmegliounodeirischiprincipalichepossonoriscontrarsisuicantieri. Visonoinoltre,altrisistemiprogettatiperridurreleoscillazionidelbracciodurantelafasedi aperturaepompaggio,operprevenireuncontattoconunalineaelettricaaerea. luglio 12 6

7 4.1. Controllo elettronico della stabilità e registrazione dati Il sistema di controllo di stabilità verifica il corretto posizionamento della macchina, la configurazionedeglistabilizzatoriattraversodeisensoriecalcolailimitidell areaoperativa qualoralastabilizzazionenonfossecompleta. Il sistema calcola di continuo l effettivo coefficiente di stabilità confrontando l area di stabilizzazioneconl effettivomomentoribaltante.questocontrollaattivamenteilbracciodi distribuzionein2momenti:manmanochesiraggiungeillimitedell areadisicurezza:inun primo momento riduce la velocità del braccio, in seguito segnala il pericolo all operatore e eventualmente arresta il movimento del braccio se questo raggiunge il limite calcolato dell areadistabilità. Inoltre, il registratore dei dati e lo schermo di controllo della manutenzione dei parametri operativi (ore totali e parziali, metri cubi pompati totali e parziali, frequenza operativa [numero di cicli/minuto] pressioni e temperature del circuito idraulico, pressioni operative del primo cilindro, etc.) permettono la registrazione e la visualizzazione di eventi operativi anomali(comesovraccaricodelbraccio,pressionietemperature).gliintervalliprogrammati di manutenzione, come ad esempio la manutenzione basata sull effettivo utilizzo, sono tutti evidenziatiesegnalati.inquestomodo,questinuovisistemirappresentanouneffettivoaiuto nelmanutenerelemacchineinpienaoperatività Controllo operativo del braccio (Active Boom Control) Il controllo elettronico del braccio (Active Boom Control) riduce le oscillazioni durante l utilizzoemiglioralasicurezzageneraledell operatore. L efficaciadelcontrollodelbracciodidistribuzioneèlimitatadalfenomenodelleoscillazioni allequaliilbraccioèsoggetto,mentredistribuisceilcalcestruzzo.maggioreèlalunghezzadel braccioeilnumerodisegmenti,piùquestoproblemaèsentito. Leoscillazionicausanoconsiderevolidifficoltàperl operatoredellapompaautocarrata,cheè il responsabile per il posizionamento del bracci e per gli operai preposti alla posa del calcestruzzochefuoriescedaltuboterminale. Un importante causa di queste vibrazioni derivano dalle caratteristiche costruttive proprie dellestrutturediquestotipodimacchine,caratterizzatedasnellezza,inerziaedelasticità. Lamacchinalavoramuovendoilbracciodaunpuntodigettoall altroequindicambiandola suaconfigurazione,questoimplicasollecitazionidinamichenellesezionienellearticolazioni oltre a variazioni nella risposta alle sollecitazioni da parte della struttura stessa. Inoltre a questi effetti si sovrappongono le forze pulsanti, associate al funzionamento della pompa a pistoniusataperilcalcestruzzo,chespessoavvieneafrequenzevicineaquellepropriedelle strutture dei bracci. L effetto di questi fenomeni è una limitazione alla vita operativa della macchinaeunariduzionedellasicurezzadeilavoratori. Uncircuitodicontrolloidraulicodedicato,controllatodaunacentralinaelettronicachericeve segnali da sensori posti sul braccio, fornisce spostamenti/forze ai relativi attuatori, per ridurre o eliminare le vibrazioni di tutto il braccio articolato, introducendo (o prelevando) olio idraulico che viene aggiunto (o sottratto) all olio determinato dalle principali impostazionidicomandoimpostatedaglioperatori. luglio 12 7

8 Questo intervallo di correzione permette di ridurre, e anche eliminare, le vibrazioni lungo tutto il braccio articolato, così come il miglioramento delle condizioni operative che allunghinolavitaattesadeisingolicomponentidelbraccio,limitandoilfenomenodellafatica edell usura. Figura 6. Confronto tra gli effetti dell ABC (Controllo operative del braccio): sulla destra il controllo è attivo 4.3 Individuazione delle linee elettriche Ilrischiodelcontattotraunbracciodidistribuzionedelcalcestruzzoeunalineaelettricapuò essereridottointroducendounsistemaelettronicodicontrolloperavvisarel operatoredella vicinanza critica alle linee elettriche o anche per stoppare i movimenti del braccio in sforzo preventivo. La distanza di sicurezza da mantenere tra una struttura in acciaio (così come il braccio di distribuzione) e una linea elettrica che conduca corrente, varia con il voltaggio e altrifattoricomel umiditàdell aria. È possibile individuare i campi elettrici a distanza elevata dai piloni e sviluppare un nuovo componente/sensoreeunnuovosoftwarepercontrollareefermarelamacchina. Figura 7. Un esempio tecnico studiato con metodo Analisi Elementi Finiti (Finite Element Analysis) luglio 12 8

9 5. AFFIDABILITÀ ED ESTENSIONI DI GARANZIA Infine,itestdisimulazionedelciclodivitadellamacchinaconl usoditestdiresistenzafatti suscala1:1sonosemprepiùimportantiperprogettarelamacchina,anticipandoecalcolando tuttiipossibilieventidimanutenzioneeoffrireaiclientprodottiaffidabilicongaranzieestese eindicazioniperiprogrammidimanutenzioneprogrammatadellaflotta. 6. CONCLUSIONI L evoluzione tecnica nell industria dei macchinari per il calcestruzzo è maggiormente orientata a rispondere alle richieste di mercato per ottenere prodotti sempre più affidabili, efficientiesicuri.laricercaesviluppostaesplorando3macro campidiinteresse:dall usodei nuovi materiali all uso dei sistemi elettronici di controllo e la tecnologia ibrida. La Ricerca e Svilupporelativaainuovimaterialipuòavereunimpattopositivosull usuradeiprodotti,così comesulpesoesulrisparmioenergetico. Di contro, l uso dei sistemi elettronici può supportare la sicurezza degli operatori, l affidabilità,ladiagnosticacosìcomelatecnologiaibridapuòaiutarenelrisparmioenergetico enelrispettodell ambiente. BIBLIOGRAFIA 1) G.DIANA,F.CHELI,Dinamicadeisistemimeccanici,UTET,Torino,1999,riedito2003; 2) A.SHABANA,FlexibleMultibodyDynamics:ReviewofPastandrecentDevelopments, KIuwerAcademicPublishers,1997; 3) RE. VALEMBOIS, P. FISETIE, J. C. SAMIN, Comparison of Various Techniques for ModellingFlexibleBeamsinMultibodyDynamics,KluwerAcademicPublishers,1997; 4) R.G.LANGLOIS,R.J.ANDERSON,MultibodyDynamicsofVeryFlexibleDampedSystems, KluwerAcademicPublishers.1999; 5) O.WALLRAPP,S.WIEDEMANN,ComparisonofResultsinFlexibleMultibodyDynamics 'UsingVariousApproaches,KluwerAcademicPublishers,2004; 6) O.C. ZIENKIEWICZ, RL. TAYLOR, The Finite Element Method, Mc Graw Hill, /991, Cambridge,riedito1998; 7) M. A. OMAR, A. A. SHABANA, A two dimensional shear deformable bean for large rotationanddeformationproblems,journalofsoundandvibrations243,2001; 8) J. L. ESCALONA, H. A. HUSSIEN, A. A. SHABANA, Application of the absolute nodal coordinateformulationtomy1tibodysystemdynamics,journalofsoundandvtbrattons214, 2001; 9) A. A. SHABANA, R. SCHWERTASSEK, Equivalence of the floating frame of reference approachandfiniteelementformulations Elsevier,1998; 10) I. CHOWDHURY, S. P. DASGUPTA, Computation of Rayleigh Damping Coefficients for LargeSysterns; 11) J.D. LAMBERT, Numerical Methods for Ordinary Differential Systems, John Wiley & Sons,Chichester,WestSussex(England),1991; luglio 12 9

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