CRM CO\SIGLIO?ER LA RICERCA E r-4 SPERI lle \l TAZIONÉ l\ilonterotondo,, j LUo 20fl cra-!g ut!ìta DtatcERca PER LlNGEGNERIAAGRAR A Prot n lll\b/r.r-4.e. Al Prof. Antonio Borghese International Buffalo Federatìon Via Goffredo Spinedi 37139 00015 Monterotondo (RM) Oggetto: Convenzione fra "lnternational Buffalo Federation,' e,,cra-lng" di lvlonterotondo del16111do1o per la "mess a punto dì un generatore di correntelettrica per alimentare una pompa per il sollevamento dell'acqua" In relazione alla convenzione in oggetto, si comunica che il CRA-ING ha terminato la fase di valutazione dinamica ed energetica del prototipo di generatore di corrente a trazione animale. I risultati di tale attività sono riportati nel rapporto di prova n. 22t2O11_p_M allegato alla presente comunicazione. Si fa presente che, rispetto all'importo di 5000 previsto nella convenzione, il costo sostenuto dal CRA-lNG per l'esecuzione delle prove, relativo all,impiego di pèrsonale al reperimento di materiale tecnico-scientifico, è rìsuliato di 2500 (lva inclusa). ll prototipo risulta d'ora in avanti disponibile per la fase di prova successiva, da svolgersì in un luogo a scelta del committenied ir cui scopo sarà ra valutazione defle presiazioni ottenibili in condizioni reale trazione animale. La cifra resldua rispetto all'importo previsto nella convenzione, pari a 25OO, potrà essere destinata a coprire le spese da sostenere per I'esecuzìone della seconda fase. Distinti saluti tt oireuofalr cnn-rruc,,\j,/ Dr\f fgi, Pari I lw'\) Va N.ziona è 32100144 Roma RM cra-tng I via dè a pascotarè, j6 OOot6 tvlonrèrotohdo lrt\4ì l+39 06906.751 F +39 06906.?55.91 ' @,na6ènr.cra.it c,f. 9?231S7053S I p,tva 03l331O1OO3
CRM co \stelto PER r^ RcERcÀ EIaSPER \ienlazlo!e Monterotondo, CRA-+I\G Llr'lr-A Dr RtcEncA PER LlNGECI!ER AAGRAR A Prot. n Al Direttore del CRA-ING Dr. Luigi Pari SEDE Oggetto: Rapporto di prova del prototipo di generatore di correntelettrica a trazione animale per alimentare una pompa di sollevamento dell'acqua, ln relazione alla Lettera di incarico da parte di codesta Direzione al CPIVA (Prct. 124'lF.P. del 6 Giugno 2011) e alla Convenzione fra "lnternational Buffalo Federation" e "CRA-lNG" dj lvonterotondo del 16/1112410 per la "messa a punto di un generatore di corrente elettrica per alimentare una pompa per il sollevamento dell'acqua", si trasmette in allegato il rapporto di prova relatìvo all'attività svolta con il prototìpo in oggetto, con preghiera di inoltrc alle partinteressate. ll Responsabile del CPMA Dr. Daniele Pochi l 1]' 'i ].]i :. ], it,:,i,,. l?ae.lef: - b^;a^-u*-- O \v*via Nanonale, a2 CRAnNG I via d.lla Pascola@, l6100015 Monl.rorondo (RIrl) î +39 06906.751 F *39 06906,2t5.91 I @ inq@ef,ldcra.ir I w!aà!!i4egè!! c,f. 97231970539 P. VA03133101003
CR& Agticu urcl Machìnè.y fèsúng Contn Rapporto di prova 2212011-P-M Determinazione delle prestazioni operative di un prototipo di generatore di corrente elettrica a trazione animale finalizzato all'azionamento di una pompa di sollevamento dell'acqua. Documenti di riferimento:. Convenzione fra "lnternational Buffalo Federation" e 'CM4NG" di Monterotondo del 16/11/2010 per la "messa a punto di un generatore di corrente elettrica per alimentare una pompa per il sollevamento dell'acqua" Leftera di incarico al CPMA del Direttore del CRA-ING, per I'esecuzione di prove in applicazione della Convenzìone dí cui al punto precedente - Prot. 1241F.P. del 6 Giuono 2011 Responsabile del laboratorio di provai Dr. D. Pochi Responsabile delle prove: Dr. R. Fanigliulo Personale tecnico: G. Brannetti; C. Cervellini; C. Volpi R. Grilli S. Montanari Monterotondo. Luqlio 2011 I risultatjespostì nel presenle rappofo sono riferiti esclusivamenti allattrezzat!ra provata, L'uso paeiale o la riproduzìone dìqueslo rapporto non sono consentiti ll CPMA dìchiara che il campionamento de Iattrezzalura provata è stalo effetluato esclusivamenle a cura del C.R,A, - Consielìo per la Riccrc. e lî spcriúèrtùiore in Ag.icolum CM-ll\C-UDità di Ùcercr per I'Ingegnerìa ^grrrir C,P.M.A. Ceni.o?rov. MNc.hinc Agricolc Vi. della Pascolare, ló 0001ó MonÌerotondo (Rome). faly Tè1,06-90ó75242(adninishriveoîfice)-Fax06-90625591-e-mail:inqrrtentrcB.n
1. Introduzione L'altezzatuta oggetto del presente rapporto di prova rappresenta un contributo alla soluzioile del problema dell'approwìgionamento idrico, in vaste zone di paesi in via di sviluppo. Essa sfrutta la trazìone animale per la produzione di energia elettrica utilizzata per I'alìmentazione di una pompa che effettua l'estrazione dell'acqua da falde poste a profondità superiori rispetto ai piir tradizionali sistemì meccanici. Con il prototipo in esame il progettista si prefigge I'obiettivo di ridurre le sollecitazioni meccaniche sugli elementi in rotazione, senza pregiudicare la capacità di produrre conente elettrica, né la resistenza e I'economicità del dispositivo tramlte I'implementazione di alcune caratteristiche tecniche, protette da brevetto. Tali caratteristiche differenziano il progetto dalle numerose soluzioni tecniche esistenti mirate alla produzione di energia elettrica sfruttando la trazione animale. 2- Scopo delle prove Le prove avevano I'obìettivo di misurare i principali parametri in grado di descrivere le prestazioni del prototìpo.. Definizione delle condizioni tipiche di lavoro del prototipo a trazione animale (velocità di lavoro, forza dì trazionesercitata da un animale da tralno)i. Determinazione della foza di trazione necessaria all'azionamento del prototipo, della corrispondente potenza, dello slittamento sotto carico;. Determinazione dell'elettricità generata nelle condizìoni di vejocità e trazione determinate ai punti precedenti (tensione, corrente potenza elettrica);. Determinazione della capacità di sollevamento di acqua in funzione della potenza elettrica prodotta, in terminidi portata d'acqua e di prevalenza. Le prove hanno dato modo di effettuare, di concerto con l'ideatore deì prototipo, la messa a punto di alcuni dettagli tecnici che ne hanno migliorato le prestazioni. 3. Materiali e metodì 3,1. Descrízìone del protolipo ll prototipoggetto delle prove (fig. 1) trova applicazione nelle situazioni in cui la foza motrice è fappresentata da uno o piùr animali da tiro che percorrendo continuativamente una pista circolare, trainano I'estremìtà di un'asta orizzontale la cui altra estremità è innestata, attraverso un supporto girevole,ad una struttura fissata nel terreno posta al cento della pista. Detta struttura fissa è dotata dì un sistema di contatti strisciant! che consentono il trasferimento dell'energja elettrica prodotta dal generatore (descritto più avanti) agli apparecchì utìlizzatori che invece sono collocati al difuori della pista circolare. L'animale, girando in tondo trascina, attraverso una corda, un cavo o una catena, una ruota mantenuta verticale ii cui calcolo delle dimensioni sarà di seguito esposto. All'asse di questa ruota e applicato un moltiplicatore di giri che serve a moltiplicare il numero dei giri della citata ruota trainata fino al numero di giri ottimale necessario al generatore per generare la correntelettrica. C.R.A, - Consiglio per la Ricercr e la spcrimcn$zìone ìn Agriconura CR -llc Unitù dirìcorcn per I'lrgègrèria Agraria C-P,M,A. - Cenro Prove Mrcchinu Agrì.ole via dell! PlscollE,16 00016 Monrrorondó lrone),lialy Tel.0ó-90ó?52a2 (adninistútive offrce) -Fax06-90ó25591 -e-maii: inèlò meé.í
Fig. 1 - Schema del prototipa: 1) pista circolarc: 2) pemo centrcle: 3) cantatti stiscianti; 4) sistema di collegamento con I'anìmale da traino; 5) ruota metallica mantenuta in posizione verticale da un sistema a slitta; 6) asse della tuota: 7) moltiplicatare di giri: 8) genentorc di conente: 9) asta di collegamento frc il peno centrale e la tuota ll prototipo è stato concepito con I'intento di ridurre il valore di coppia da applicare all'albero lento del moltiplicatore. Nel sistema proposto la pista circolare su cui cammina I'animale costituisce un elemento essenziale del sistema ed essa svolge il ruolo di corona del primo stadio del moltiplicatore di giri mentre la ruota traìnata dall'animale sulla detta pista svolge il ruolo di pignone del primo stadio del moltiplicatore. In questa configurazione I'animale trascina la ruota che rotola sul ierreno. Di conseguenza I'albero della ruota gira più velocemente di un eventuale albero verticale posto al centro della pista. Questa confìgurazione, oltre a ridurre di uno stadio la composizione del moltiplicatore, riduce propozionalmente la coppia applicata all'a bero lento del moltiplicatore di giri che in questa configurazione è solidale all'asse della ruota trainata. Perché il sistema funzioni, la lunghezza del raggio della ruota trainata deve essere tale da sviluppare un'adeguata velocità periferica della ruota stessa, senza pregiudicame le condizioni aderenza con ll terreno (slittamento) in condizionidi carìco. ll raggio della ruota misura 1,20 m. ll battistrada presenta una serie dì ramponi che ne aumentano l'aderenza. ll collegamento fra la ruota e l'asta orizzontale che costringe i'animale a girare in tondo non è rigìdo ma snodato (tramìte cavo, corda o catena) per consentire alla ruota trainata che rotola sul terreno di disporsi naturalmente lungo una direttrice perla qualeil parallelogramma delle foze vede Iafotzaela resistenza orientate in direzioni opposte ma parallele e questo consente di sfruttare al meglio la potenza sviluppata dall'animale. Come generatore di corrente è stato installato un alternatore trifase a magneti permanenti per generatori eolici (visibile in fig. 2), corredato di un rettificatore a ponte di diodì trifase per ottenere Ia corrente continua di cui necessita la pompa. Le principali caratteristiche del generatore sono riassunte in tab. 1. ll sistema di trasmissione a catena fra la ruota trainata e l'albero del generatore montato è costituito da una cascata di ruote dentate. ll rapporto dl trasmissione finale, t, è pari a 41,65. Tale rapporto di trasmissione è stato scelto, tenendo conto della velocità di C.R.A.- Corsiglio per la Ricerca c lr sperìmcntlzionc ir Ag.icoxùrÀ CIì.{-I\C - Unità di Ri.r..r pí l'lngegne.it agrùri. C.P.M.^. - Cent.o P.ùve Macchine aericolc Vìa della Pascolaie ló 0001ó Monterorondo (Rome), ltaly Tel.0l-90675242(ldminjsìririleofiìcc)-Fax0ó-90625591-e'miL,inlartedÌrcF.ir
4 avanzamento mediamente ottenibile con la trazione animale, per consentire al generatore soora citato di lavorare in buone condìzioni di rendimento secondo idati riportati ìn tab. 1 Tab. 1 - Prin Potenza Nominale Potenza Massima Tensione Output vvtt.ttlc vulpsl trro^ Velocità di rotazione massimo rendimento Dimensioni Peso Resistenza alla rotazione Efficienza Ii caratteistìche del elettico eolico " P20 " 390 W 488 W 28 V AC Trifase 15 A 400 rpm 240x160x160 mm 8,6 Kq 4 0.25 NxM > 95o/o Fig. 2 - Generatore elettrico P20. La massa complessiva del prototipo in ordine di lavoro è pari a 190 kg Il prototipo è stato fornito corredato di una pompa da sentina alimentata dalla conente elettrica da esso prodotta e utilizzata per il sollevamento dell'acqua (fig. 3). Le caratteristiche della oompa sono descriite in tab. 2. Tab. 2 - Principali carctteristiche della pompa disollevamento acqua Matca MARCO Fluicl Technology up 100012v Te n sione d i a I i m e nta zi o ne 12 V Poftata massima 63 t/h Prcvalenza massima 4m Dianetrc faro 28.6 mm c.r,^. Corsiglioper b Ricercîcla sperimen.!zionc in,.tg.icoltrrt Clì'{J\C-Unjtàdì Rjcercapcrl'lnAqnr.it^e.rio C.P.M.A, Cotru Prove Mlcchine aericolt VisdeLLa Pascol.re, l6 00016 Monterotondo (Rome), Ìraly Tè1, 06-90675242 (adminisietlve ofice) - Fd 06-90ó25591 - e-m!il: inqaaelbcú n
Fig.3 - Pompa da sentina utilizzata nelle prove di sollevamento de I'acqua. 3.2. Attrezzature e strumentazioni utilizzate Per il rilievo dei parametri di prova, il prototipo è stato equipaggiato con una serie di strumenti di seguito descritti. 3.2.1.îtazione I dati di tipo dinamico (foea dì trazione necessarial funzionamento del prototipo) sono stati rilevati da urta cella dicarico montata sulla fune di traino (fig.4). Fig. 4 - Cella dj carico da 5000 N peril riievodela forza ditrazione per I'azionamento de pfolotipo. C,P\A. C0n3igli0 Íerh RicÈrc. clr spèrinìentazioncin ^Sricoltu.' CILA-I\C - Untta di Ricercr Der l'lngqncrìr ^grùriù C,P,M,A, Crntro ProveMÈc.hirèAgricole V r della Paicolrre. l6 - LSoló MonÌerorondo (l{omel, lraly T 1. 0ó-90675242 (admirù$raiveofice) Fax06-90625i91 -c-mail: rìcldenl*njt
ll regime di rotazìone dell'alberino del generatore di corrente è stato misurato da un encoder diqitale TEKEL da 100 impulsi/giro (fig. 5). Considerando il rapporto di trasmissione finale fra ruota e albero del generatore (t=41,65, punto 3.1), conoscendo i regime di rotazione dell'albero è possibile calcolare il regime di rotazione dèlla ruota e di enza, dato il raggio, la sua circonferenza e la sua velocità perìferica. Fig. 5 - Encoder digitale (Ed) montato slrll'albero del generatore di corrente (G), per il rilievo del regìme dì rotazione. ll irasduttore di corrente (T) misura i segnale di corrente prodotta e o invia alì'acquisitore dati (A) installato nella parte anteriore del prototipo all'interno di un sistema di protezione. 3.2.2. Correntelettrica Per quanto rìguarda le prestazioni relative alla produzione di corrent elettrica da parte del prototipo, allo scopo di colegare il generatore con dei valori di carico elettrico predeterminati e ripetibili, è stato installato un sistema basato su una batteria di 6 lampade a 24 V di diversa potenza (fig. 6) che, tramite i relativinterruttori, possono essere collegate in diverse combinazioni corrispondenti a diverse condizioni carico, La sequenza delle combinazioni utilizzate è riportata nella tabella annessa alla flg. 6. Un trasduttore misura la tensione prodotta dal generatore la corrente assorbita dal carico. Fig. 6 - Balteria di lampade a 24V di diversa potenza a imentate dalla corrente prodotta dal geneaatore de prototipo. La tabe a a destra riporta le combinazioni di carico ottenibili combinando funzionamento diverse ampade. Le condizioni ca co sono state applicate algeneratore per vedere la risposta ln terminidl correnterogata durante la prova. c,lla,- c0nsigli0 pcr l, i(icrfcr c h epèriùcntazio.e in agricolturu Ctr.l\C- Unira diricercr per l'lngeencrìr ^grrrin C,P,M,A. C0nto l'r.vomlcchinèagricole Via della Piscoisre, l6 00016 Monrerorondo(Rome),lhly Tcl. 06-90ó75242 (!d'rinjsririve office) - Fd 0ó-9062559 -e-mril: insfòenl*n.ii
1 Tutti idati rìlevati dagli strumentì sono inviati al sistem acquisizione LAX 55 (fig. 5) dotato di 8 canali analogici e 4 canali digitall che provvede alla loro memoízzazione e succesfivamente inviati al computer per I'elaborazione. 3.2.3. Sollevamento dell'acqua Le prove di sollevamento dell'acqua prevedevano la misura della portata d'acqua erogata dalla pompa di fig.3 alimentata dalla corrente prodotta dal generatore, in relazione alla prcvalenza. cioè al dislivello che lacqua doveva superare. La portata è stata calcolata misurando la massa (e di conseguenza i volume) d'acqua sollevata in un intervallo di tempo. La massa d'acqua è stata misurata tramite la bilancia elettronica djfì9. 7, mentre il tempo è stato mìsurato con un cronometro elettronico- Fig.7 - Bllancia e ettronica N,4od. WLC/R/120/C2lR (portata masslmar 120 kg)utilizzata per la misura della massa d'acqua trasferita dalla pompa Per ouanto concerne la misura della prevalenza, la prova è stata condotta simulando il superamento del dislivello (fino a 4 m) attraverso la strozzatura della mandata dell'acqua (al reciplente posto sulla bilancìa) per mezzo di un rubinetto (fig. 8). La strczzatura determina I'aumento della pressione che I'acqua esercita nel tubo. Tale aumento di pressione è stato misurato tramite un manometro con portata massima di 2,5 bar, precedentemente tarato tramite torchio idraulico e manometro certificato di riferimento. Considerando che una colonna d'acqua di 10 m esercita una pressìone di 1 bar, in base a tale metodo 1 m di prevalenza corrìsponde a 0,1 bar. La prevalenza dj riferimento ai fìni della prova del prototipo corrisponde a 0,4 bar. La fig. I mostra il manometro e il rubinetto regolatì in sul valore 0,4 bar, durante l'erogazìone dell'acqua da parte della pompa difig, 3 Per l'acquisizione dei segnali si è adottata una frequenza dì20 acquisizioni al secondo. Tutti gli strumentimpiegati sono stati preventivamente sottopostì a calibrazione per verificarne affidabilità e precisione. ll CPMA, accreditato in conformità alle prescrizioni della norma ISO/IEC 17025:2005 per la gestione delle prove di macchine per la lavorazione del terreno, la semina e spandiconcime (Lab. '1141 ACCREDIA), dispone di un laboratorio attrezzato con strumenti e attrezzature di riferimento sottoposti a certificazione SIT finalizzati esclusìvamente alle operazioni di taratura e calibrazione degli strumenti utilizzati nelle prove. c,r^, - Co.eiElid pcr h Ricè.co e lr sperimentazionc in ^Sricoltud CR\-l\C - Unita di Ricer.' pcr l'lngesnèrir aarîrir C,P,M.A. Cent.o P.0vè Macchine Aericol0 Vi. dclla Parolarq l6 00016 Monrerorondo (Rome),lr'ly Tel.06-906?5242(rdfrinisÌúÌileoflce)-Fax06-e0ó25591-e-frdil:insrdenì*ón
Fig. 8 - Prove di sollevamento dell'acqua: manometro e rubinetto inserìti nei tubi di mandata dell'acqua, regolati in modo da avere una pressione di 0,4 bar, corrispondente ad una prevalenza di 4 m. I recìpiente è posto sula biancia di f:9.7 che pesa la massa d'acqua trasferita dalla pompa difig. 3 in un dato intervallo ditempo. 3.3. Metodi La prova del prototipo è stata fatta simulando le condizioni trazione animale. Allo scopo essoè stato svincolato dal perno centrale (fig. 1) che determina la traiettoria circolare le misure di foza di tfazione sono awenute su una base rettilinea di 50 m di lunghezza, trainando il disposìtivo in prova per mezzo di un piccolo trattore da frutteto (Tigrone 5500, Antonio Carraro) alla velocità di 2,5 km/h (0,7 m/s), valore prossimo alla velocità di avanzamento di un animale da trazione. La prova è stata eseguita s! una superficie in terra battuta, in grado di offrire buone condizioni di presa ai ramponi della ruota del prototipo. Come indicato in precedenza, sulla fune di traino e stata inserita la cella di carico per il rilievo della forza ditrazione (fig. 9). Fig. I - Prove trazione su terra battuta. Su la fune di traino è visibie la cella di carico per la misura della forza ditrazione C.ll.A. - Conriglio per l! Riccrctr c lr sperinenhtlonc ìn ^8rÌt0lrurt CR^-ltC Unirù úi Ricerca perl'lngryncri' ^Hri.ii C.P.M,^. - Conro l rovr Mrcchìre Agric0le Via della Pftcolrre, ló Cì0016 Monrsotondo (Ron.),lraly Tel.06-90ó75242 (admitrètutive office) - Far06-90ó25591 -e-mail: ìnladleùtecf ir
ll rilievo della foza di trazione è stato eseguito in diverse condizìoni carico elettrico impostato tramite il sistema basato sulla batterja di lampade descritlo al punto 3.2.2. Fra tutte lè condizioni di carico ottenibili (fig. 6 a destra), nella presente prova sono state applicate quelle riportate in tab. 3. Tab. 3- Carctteristiche del sistema adottato pet impaftire condizioni contro ate di carico al generctorc del prototìpo. ll "codice di carico" (colonna di destra) deriva dalla somma delle potenze nominali delle lampade inpiegate e costituisce solo un cadice di dferimento attribuito a ciascuna prova. La potenza effettivamente prcdotta dal generctorc pet far fronte alle ichieste inpostate con tale sistema saà quella misurcta dal trcsduttare eleftrico difig. 5. Lampada n. 1 2 3 4 5 6 Potenza Nominale, W 40 40 6A 60 60 60 Combinazione lampade collegate Codice di carico 0 1,2,3 144 3,4,5 1BA 2,3,4,5 220 1,2,3.4,5 260 1,2,3.4,5,6 320 Nella condizione di carico elettrico nullo è stata misurata la forza necessaria per il traino del prototipo con generatore non attivo. Sottraendo tale valore ai valori di foza rilevati nelle diverse condizìoni carico, si ottengono j relativi valori di forza di trazione netta necessaria alla produzione di correntelettrica da parte del generatore. Dal prodotto della foza di trazione per la velocità di avanzamento si ottiene la potenza che l'animale da traino deve esercitare per l'azionamento del prototipo, distinguendo anche in questo caso frc polenza complessiva e potenza utile per la produzione dì corrente Dal Dunto di vista dinamico, nel corso di ciascuna prova sono stati rilevati anche il tempo necessario a percorrere la base di 50 m e il numero di giri compiuto dall'albero del generatore durante la prova. Talì dati hanno consentito di calcolare la velocità media di avanzamento e lo slittamento medio che ìl prototipo subisce, ìn condizioni dicarico rispetto alla Drova carico zero, secondo Ia relazione: s = 100 (nc - no)/nc dove: s, slittamento percentuale;,., numero di giri compiuti dall'albero del generatore durante la prova su 50 m in condizioni carico elettrico maggiore di zero; ro, numero di gìri compiuti dall'albero del generatore durante la prova su 50 m in condizioni carico elettrico nullo. C.R.^, Condglio pcrlr Ricero ù10 sperimcnrrzioneiragri.okurr CR{-lltC UnhÀ di Riccrc' pfrl'lrgègrèria ^8rarn' C,P,M,a. Ccnto Provc MrcchintAgric0le Via della Pascolare, l6 0!016 MonÌÈrorondo (ltone), nalv Tel. ()l 90ó75242 (adminìsirrive office) - Fax0ó 90625591_e_mai: ins@enrecnn
l0 In ciascuna delle condizioni carico indicate in tab. 3 sono state misurate, per mezzo del trasduttorelettrico, la tension e la corrente generate, utìlizzate anche per calcolare la corrisppndente potenza elettrica disponibile per il sollevamento dell'acqua, scopo ultimo per il quale il dispositivo è stato realizzato. Le prove di sollevamento dell'acqua sono state effettuate secondo quanto descritto al punto 3.2.3, simulando il superamento di un dislivello (prevalenza) attraverso la regolazione della pressione nel circuito di mandata dell'acqua. I rìsultati di queste prove sono riferibili alle caratteristiche della pompa di fig. 3 fornita con il prototipo stesso. In relazione ai valori di potenza elettrlca generata e in funzione della prevalenza, sono state rilevate condizioni migliori condizionidi funzionamento della pompa, riportando ivalori di porlatia d'acqua ottenuti in funzione della prevalenza, fra 0 e 0,4 m. Nel corso della prova, la pompa di fig. 3 è stata azionata tramite I'alimentatore elettrico visibile in fig.8 (a sinistra). Ciò ha consentito di verificare la capacità di sollevamento acqua della pompa aiimentata sìmulando le risposte fornite dal geneftrtore elettrico (potenza elettrica) nelle prove di trazione, nelle diverse condizionidi carico elettrico. 4. Risultati I risultati dei rilievì di ioza, velocità e potenza di trazione sono riportati in tab.4. I risuliati delle misurazioni delle grandezze elettriche sono riportati in tab. 5. La ioîza di trazione necessaria per traìnare il prototipo in assenza di carico elettrico è pari a 498,7 N. Alla velocità di 0,69 m/s (circa 2,5 km,h) la potenza richiestall'animale da traino sarebbe pari a 346 W. Aumentando il carico elettrico richiesto (mantenendo costante la velocità) si ha un generale incremento della foza di trazione (valore massimo: 810 N) e della corrispondente potenza (max: 568,94 W) fino al penultimo valore (codice dl carico 260), dopo di che inizia a decrescere (tab. 4). Osservando i dati di tab. 5, si nota un analogo andamento della potenza elettrica prodotta, crescente fino al codice di carico 260, mentre in corrispondenza del codíce dì carico 320 inizia la fase decrescente. Tale andamento (tab. 4) è dovuto alla progressiva perdita di aderenza della ruota sul teneno per effetto dello slittamento causato dai crescenti valori del carico elettrico richiesto il quale gene una resìstenza meccanìcalla rotazione dell'albero del generatore. Lo slittamento è sempre crescente (fig. 10), ma in corrispondenza del codice di carico 320 il suo andamento subisce un impennata (fino ad oltre il 13%), indice di una richiesta di energia eccessiva per la configurazione del prototipo in prova. Fig- 10 - Andamento dèlo slittamento al cresceae del caaico elettrico imposto al sistema con la batteria di lampade. Le condizioni carico sono deflnite nell'assè X dal codice di carico. C,R.A. -Cúnriglio per l0 Ric.rcr c la spe.imert.ziotre in agricolîura CR\-llC-Unitàdi Ricsrcrpcrl'lngcsncrir^grffin C,P,M,a.- Centro Prove Mrcchjne,\grìc0le Vi! della PascolxE, ló m016 MÒnre.otondÒ (Romc),lraly Tel,06-90ó?5242(administntiv.otìce)-Fax06-90625591-e-maii:ìlsalùe ec.n
ll In corrispondenza del codice dì caico 320 si ha un impennata della curva. In conieguenza di quanto appena detto, I'andamento della potenza meccanica richiesta nelle condizionì prova è simile a quello della foza. I diagrammi fig. 11 riportano le curve di foza e di potenza. Le curve poste in alto nei diagrammi si riferiscono a forza totale e potenza totale richieste per il traino del prototipo; le curve in basso (forza di trazione netta e potenza utile) sono calcolate sottraendo aìle precedenti curve il valore relativo al carico nullo (codice di carico o). Esse indicano la fotza e la potenza effettivamente impegnate nella produzione di corrent elettrica Por.n.! mece ri6 d.h ì.$ lrè2ronè ) a Fig. 11 - A: Cúrve di forza di trazionet Br curve di potenza meccanica richiesta per il traino del prototipo a 2,5 km/h. Le curye in alto in ciascun diagramma indicano le ríchieste totali di foza e potenza di trazidne. Le curve in basso sono al netto de la forza e potenza richieste per la trazione in condizioni di carjco elettrico nulo (codice di carico 0). Tab.4 - Risultati delle prove in diverce condizianidi carico elettrico. I paamet dlevatisono la fotza di trazione totale, il numero di giri dell'alberc del generatore e iltempo necessa o a percoffere la base. Da essl sona stati calcolati la velociè, lo sliftamenlo, Ia potenza complessivamente necessaria alla trczione e la potenza utile, cioè quèlla effettivamente ala nella Drcduzione di enercia elelnca Codice caico F. tnz. totale F traz netta giri albera Diîf. Gii SlittamentoVelocità generctore n/dase n/dase % m/s potenza TrcZ. w potenza utile W 0 498,7 0,0 27851 0 0,0 0,69 346,09 0,00 140 662,8 164,1 27302 549 2,0 0,70 462,19 116,09 180 705,0 206,3 26690 1161 0,69 486,21 140,12 224 747,7 249,0 26373 1478 0,70 520,68 174,59 260 810,7 312,0 25983 1868 6,7 0,70 568,94 222,84 320 298,8 24167 3684 13,2 0,70 209,69 lrisultati delle misure relative alla produzione di energia elettrica sono visibilin tab.5 e per maggior chiarezza rei diagrammi dì fig. 12. L'andamento della corrente generata è sempre crescente al crescere del carico imposto, raggiungendo il valore di 8,7 A. Parallelamente, è sempre decrescente il valore della tensione. Come già anticipato, la C,R.^,- Consislìo pd lù Rìcertr e lî sperimeot,zìonr in ^Ari.onrra CtlA-l\C-Unitàdil{icÚ.rperl'lrgegreria^gr1rìr C.P,M.a. - cenro Provc M'c.hinc ag.icole Via della Pascohre. l6- m0ló MonÌerctondo (Rons), xaly Tel.06 9067s242 (administeìive ofice) Fd 0ó-9062s5e1 - e'm3i rsg3)i!l!q!]ú
t2 potenza elettrica prodotta, data dal prodotto fra corrente e tensione, aumenta tino al codice di carico 260 per poi inìzlare a decrescere al codice di carico 320, seguendo lo stesso.andamento difoza di trazione potenza meccanica per il traino. ln fig. 12-D sono riportatì rendimenti elettrici rìferiti sia alla potenza utile che alla potenza totale per la trazione. ll rendimento del generatore riferito alla potenza utile varia da 0,84 a O,42 (media: 0,62). ll rendimento riferito alla potenza meccanica totale impiegata variaf.a O,21 e 0,16 (media: 0,19). Tab. 5 - ElettricÌtà prodotta dal generatore in diverce condìzioni di caico eletttico richiesto. Sono sfale rilevate Ia tensione e la catente ed è stata calcolata la potenza sultante e il rcndimento elettrico rispetto a a potenza utlte ta in tab. 4. Codice di carico 0 140 180 220 260 320 Tensione Coffente 27,2 19,0 16,2 10,2 0,0 6,3 7,3 8,7 Potenza w elettl (rif pot utile) 0,0 102,6 106,0 107,6 89,0 0.84 0.73 0.61 0.48 0.42 Rend. elett. (tif. pot vaz. Totale) 4.21 0.21 0.20 0.19 0.16 t r00 350 +Fsd. Erdb orp.t úùa) +tund,ehl('í pd@.ma 6d6 rebone (v) F:q. '12 - CJrve realve ale prestazionde geneetore. A): andamento della tensione e della corrente al variare del carico elettrico; funzione de la -ensione: B) potenza elettricaprodotta; C) Corrente prodotta in D) rendimflloelettrico riferito alla potenza meccanica totale e alla potenza utile (fig. 1'1). C.R.^. Corsiglioper la Ricsrc,013 spcrincntaziùno ir Ag.icokùrr ClìAllC Lln di Ritèrcr perl'lngegneria AAruri, C.P.lvl.A,-Cenrro Provc M,.chine agricolt ViadeLla P!{oLa.è, 16-00016 Monrero.ondo (Rome). Ìraly îel,06-906?5242 (adninishr veofice) - Flx 06-90625591 -e-m.il: inea.lenred n
13 In conseguenza dei risultati descritti, le migljori condizioni funzionamento del prototipo nella..configurazione sottoposta a prova possono essere identificate nell'intervallo compreso fra il codrce di carico 140 e il codice di carico 260. ln tale intervallo si ha:. tensione (decrescente compresa) fra 20 v e 13v (ftg=+4a): 42a. corrente (crescente) compresa fra 5 A e 9 A forj*a);,1zc. potenza elettrica su valori di poco superiori a loow (fig. Éeyf/é fn tali condizioni, lo slittamento si attesta su valori accettabili, compresi fra il 2o/o e il6,70/0, mentre la potenza totale difazìone rìchiesta risulta intorno ai 500 W (0,68CV). Le condizioni operative appena indicate sono state assunte come riferimento per le prove di sollevamento dell'acqua, effettuate, come indicato al punto 3.3, simulando la situazione reale. ll primo rìsultatosservato è rappresentato dal fatto che la pompa di fig.3, alimentata, come richiesto, a 12 V (vedi punto 3.2), non è risultata in grado di svolgere una apprezzabile azione di sollevamento dell'acqua, nonostante itentativi di regolazione della tensione. Sono stati effettuati dei tentativi, aumentando progressivamente la tensione di alimentazione regolando la corente in modo da ottenere valori di potenza elettrica compatibili con quello sopra rìportato di 100W. In tal modo Ie condizioni difunzionamento della pompa soddisfacenti sono state individuate con alimentazione a l6vecon un valore di conente assorbita di 5,8A per una potenza di cìrca 90W. Non sono stati presi in considerazione valori maggiori di alimentazione per evitare un eccessivo sovraccarico del motore della pompa; nei brevi tempi limitati alle prove non si sono osservati problemi legati alla maggiore tensione di alimentazione, tuttavia non conoscendo la struttura costruttiva non è posslbile stabilire se, trattandosi di una pompa sommersa, I'acqua stessa ne favorisca il raffreddamento, La tab. 6 riporta tutti i dati di prova (pressione applicata e corrispondente prevalenza; tensione, corrente potenza risultante; portata d'acqua). I diagrammi fig. 13 mostrano l'andamento della portata fornita dalla pompa e la curva di potenza della stessa pompa, in funzione della prevalenza. ad.6 - Risultatidelle di sollevamenta ua. 1 2 3 4 5 har 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 1 2 3 4 Tens. Coft. 16.0 16.0 16.0 16.0 16.0 5.8 5.9 W 92.8 94.0 94.4 86.6 77.6 Tempo s 30.4 30.4 30.0 60.0 60.0 Massa PotTata acqua kq Umin 23.1 19.3 28.3 17.9 52.8 46.3 38.6 28.3 17.9 Portata m3/h 3.17 2.77 2.32 1.70 1.08 I risultati mostrano chiaramente le perdite dì carico in termini di diminuzione corrente, potenza e portata all'aumentare della prevalenza fino a 4 m, considerati valore di riferimento (dislivello da superare) ai fini della valutazione delle capacità di sollevamento acqua da parte del prototipo. La portata, che alla prevalenza di 0 m era di 3,17 m3, a 4 m è scesa a 1,08 m'/h. In tali condizioni, la pompa in dotazione al prototipo, alimentata 16 V, assorbiva una corrente di 4,9 A, per una potenza di 77,6 W. C,ta^. - C0nsigli0 Der ln l{ìrúcr.lr sdèridèntazionc in Aericolturo C{An\C- UnnÀ di Ricerca per l'lngegnúir Agrùri C,P,M.A,- Cenfo P.0vo Macchioo acricolc Viadclla Pascolare l6 000ì6 Monteroròndo (Romc), ltaly Tcl. 0ó-90675242 (adirinlstratjve ofice) - Frx 0ó-90625591 - e'mril: irsfaènrm n
t4 PolèE nchiesla dslb ponpa 3.5 3.0 120 ^ 100 a80 * 1s E 1.0 0,0 23 2A 23 Fig.'13 - Funzionamenlo della pompa alimentata in base ala potenza elettrica generata dal prototipo nèlle prove di trazione. A: curva della portata d'acqua in funzione della prevalenza; B: curva della potenza in funzione della prevalenza. Associando i risultati di tale simulaziorie ai dati fomiti dalle prove di trazione, è possibile concludere che la configurazione prototlpo-pompa sottoposta alle prove oggetto del presente rapporto, è in grado effettuare il sollevamento dell'acqua con una prevalenza di 4 m. second ouanto indicato ìn tab. 7 7 - Riassunto delle condizioni difunzionanento e delle prestazíoni rnite dalla combinazione Velocità di avanzamento (km/h) Fprza ditrazione ichiesta (N) 700 Potenza di trcziane (W) 486 Tensione di alimentazione pampa (V) 16 Caffente assotbita (A) 4,9 Patenza elettrica ichiesta (W) 77.6 Porlala d acaua (m'/h) 1.08 lrisultati appena esposti sono riferibili esclusivamente alla configurazione prototipo-pompa descrittal punto 3.1 e sottoposta prova. La struttura del prototipo ha risentito delle condizioni lavoro: l'effetto combinato delle vibrazioni e delle precarie condizionì stabilità laterale, che hanno indotto su di essa delle torsioni anomale, hanno danneggiato il telaio in corrispondenza di alcuni punti di saldatura. ll prototipo è suscettibile di miglioramenti in relazione a:. masse in gioco, onde aumentare I'aderenza al terreno nei lìmìtì della capacità di traino anlmaiel. rappodi e tipo di trasmissione fra ruota e albero del generatore: la combinazione di questo punto con il precedente può contribuire ad aumentare il rendimento meccanìco del sistema:. punto di collegamento della fune di traino, per ollimizzaîe la linea di trazione in funzione delle dimensionj dell'animale che la eseguira;. sistema di stabilizzatori laterali, onde evitare che il prototipo assuma anomale inclinazioni laterali che influiscono anche sulla capacità di seguire la conetta traiettoria di traìno con conseguente dissipazione energìa, riduzione del rendimento meccanico e danni alla strlttura.. utilizzo di una pompa diversa e piùr efficiente alle prevalenze richieste (potenza 100W, prevalenza di 6-8 m), che potrebbe contribuire al miglioramento delle prestazioni complessive del sistema. C.li.r\. Cún!iglio perl, Ric(rcr c la rpdiúenrt2ione ihagric0hurr CRA-I\C Ùniri' di Ricerca pcrl ldgesncri^gríiî C,P,M,a. Ccntol'rov.MrcchintAerì.0Ic Via della PascÒ1arc, ló Cr00l6 Mo0le.orondo (Romc),lraly -rel. 06-90675242 ladúinistrtive ofi ce) Far 06-906?s591 - Èmlil: insraòntaé n
L'attività descrìtta si è svolta pressole sfutture del CRA-ING di Monterotondo nel periodo compr so fra Maggio e Luglìo 2011. PersonaledeI CPMAcornvolto nelle Qualifica Nome Funzione svolta Ricercatori Tecnici Daniele Pochi Roberto Fanigliulo Gino Brannetti Cesare Cervellinì Carlo Volpi Renato Grilli Sandro Montanari Responsabile del laboratorio Coordinamento delle prove. Interventi meccanici di precisione. Installazione strumentazioni. Conduzione mezzi di pîova lnterventi elettronici e informatici Gestione strumentazjoni di prova Rilievo deidati di orova Controllo e taratura strumenti Organizzaziane patcelle di prova Mìsurazioni e rilievi manuali Monterotondo, Luglio 20'11 ll responsible delle prove Dr. Roberto Fanioliulo \r -t-\ r.z /) "* V-fu/lo.\J \Ul*,trvtU,z ll responsabile del Laboratorio r. Daniele C.R,^. Conrisltu pèr lù Rirercì r l0 sperisenrùi0ne in 48.ÌcolturN CRAI\C - Uni.À di RìLere pcr I'lneesneriù ^graria C.l'.M.^.- Certo Prove Mac.hinc Agricolr Via della Pa$oofe. l6 0001ó Monrdorondo(Romc), lr!y Tel.0ó-90ó75242(adminL\h(rveoincc)-Fax06f,J0615591'e-mril:!!E@q!Gqèr!