I progettisti di applicazioni di motion control per servizio pesante preferiscono per tradizione i cilindri idraulici per l'elevata velocità, la capacità di gestione di carichi pesanti e la resilienza e accettano di malavoglia la necessità correlata di sistemi di supporto, le difficoltà di gestione dei fluidi e le limitate funzionalità digitali. Tuttavia, i recenti progressi che prevedono l'integrazione della tecnologia idraulica negli attuatori lineari elettrici assicurano i vantaggi dei sistemi idraulici senza includerne gli inconvenienti.
Un esempio emblematico di un'applicazione che sfrutta questa conversione è l'ottimizzazione del controllo della profondità di semina nelle seminatrici agricole multifila. Graham Electric Planter, un'azienda del Colorado specializzata nell'innovazione delle tecnologie per l'agricoltura, ha sviluppato una soluzione utilizzando gli attuatori elettroidraulici di Thomson Industries, Inc. Le seminatrici tradizionali sono stati dotate di un controllo interattivo e in tempo reale della profondità di semina senza i problemi legati all'invasività e ai pesanti interventi di manutenzione dei cilindri idraulici.
Massima semplificazione
I coltivatori che seminano mais, soia e altre piante su file di solito sanno a che profondità piantare i semi per ottenere la massima resa, ma raggiungere sempre la profondità necessaria in condizioni di suolo che variano ogni giorno in base al campo e alla fila può essere un problema. Ad esempio, se i semi vengono piantati a una profondità insufficiente, le radici potrebbero essere troppo vicine alla superficie, mentre se vengono piantati troppo in profondità, il raccolto potrebbe far fatica a crescere.
La maggior parte delle attrezzature di semina trainate da motrici sono dotate oggi di molle meccaniche che applicano una forza diretta verso il basso sui dispositivi di semina per mantenere i solchi alla giusta profondità ma non hanno modo di adattarsi alle condizioni variabili del terreno.
“Abbiamo conosciuto molti coltivatori che non erano pronti ad acquistare una nuova seminatrice ma desideravano un sistema in grado di gestire le variazioni del terreno in modo migliore rispetto alle molle in uso”, racconta il socio amministratore di Graham Marty Graham.
Graham ha deciso di sostituire le molle meccaniche con attuatori in grado di adattarsi rapidamente quasi in tempo reale. Adottando una filosofia mirata alla semplificazione, Graham ha stabilito che la soluzione di azionamento di cui aveva bisogno dovesse avere le seguenti caratteristiche minime:
- Capacità di resistere alle intemperie
- Resistenza ai carichi d'urto
- Requisiti minimi per le infrastrutture esterne
- Funzionamento pulito e con manutenzione ridotta
- Integrazione wireless
I cilindri idraulici tradizionali soddisfacevano i primi due requisiti, ma Graham li ha scartati.
“Desideravamo evitare i cilindri idraulici perché sono problematici e implicano numerosi raccordi, flessibili e cavi dappertutto”, spiega e aggiunge che i sistemi di supporto per i cilindri sovraccaricano già dispositivi idraulici necessari alla gestione di altre funzioni. Occorre inoltre un'elaborata infrastruttura di erogazione di fluido, con conseguenti rischi potenziali di fuoriuscite pericolose.
L'esclusione dei cilindri idraulici lo ha portato agli attuatori elettrici, che però non disponevano della resilienza necessaria.
“Se stai attraversando il campo e ti imbatti in sporcizia o in un sasso, l'attuatore deve essere in grado di cedere leggermente”, spiega Graham. “I normali attuatori con vite a sfere si piegherebbero e ci si ritroverebbe a cambiare gli attuatori di frequente”.
Un sistema idraulico travestito da attuatore elettrico
Continuando a esplorare le varie opzioni, Graham ha scoperto che Thomson offriva un attuatore elettrico una camera integrata per il fluido idraulico, in grado di garantire la durata e le possibilità di comunicazione necessarie per la sua applicazione, senza bisogno di una complessa infrastruttura esterna con molta manutenzione.
L'attuatore elettroidraulico Thomson H-Track presenta l'involucro di montaggio più piccolo della sua categoria e utilizza un design brevettato con valvola e serbatoio all'interno di questo ingombro ridotto. Un motore collegato controlla la direzione del flusso di fluido nell'attuatore e serbatoi divisi connessi attraverso una valvola a navetta limitano la contropressione per garantire al sistema la necessaria resilienza.
L'attuatore H-Track stesso occupa meno spazio di un cilindro idraulico ma non richiede un serbatoio esterno per l'alimentazione di fluido in ogni fila di raccolto.
Gli alloggiamenti degli attuatori H-Track sono completamente sigillati, resistenti alle intemperie, a prova di polvere, anti-corrosione e testati per un grado di protezione IP47 statico per immersione temporanea e IP49K per lavaggi ad alta pressione. L'attuatore dispone anche di opzioni con fluidi idraulici fino a 180 °F (82 °C). Le unità sono lubrificate durante l'assemblaggio e non richiedono quindi regolazioni né manutenzione di alcun tipo dopo l'uscita dalla fabbrica, garantendo prestazioni uniformi per l'intera durata dell'attuatore.
“Non abbiamo trovato nessun altro prodotto in grado di fare quello che fa l'H-Track”, conclude Graham. “La camera idraulica indipendente è fondamentale. Gli altri fornitori cercano di realizzare quello che fa una valvola limitatrice in una camera idraulica, ma non è nemmeno lontanamente quello che Thomson ci garantisce oggi”.
L'attuatore lineare elettroidraulico Thomson H-Track ha permesso a Graham Electric di implementare un sistema di gestione della profondità di semina elettrico, wireless e compatto, ammortizzabile nel primo anno di funzionamento.
Controllo elettronico della profondità in azione
Il sistema di controllo della profondità di Graham è abbinato a un disco di semina sottovuoto che deposita i semi nel terreno. Tipicamente, una seminatrice semina fino a 24 file per passata con un'unica unità di controllo della profondità e richiede pertanto un attuatore per fila.
Graham personalizza un'unità di controllo della profondità per ogni applicazione specifica. In una configurazione tipica rotelline regolatrici penetrano nel solco dietro il disco di semina. Un sensore con cella di carico monitora la profondità delle rotelline e invia le letture in modalità wireless al software di controllo. Un algoritmo stabilisce se le rotelline regolatrici penetrano troppo o troppo poco e segnala all'attuatore di espandere o ridurre di conseguenza la spinta in basso. “Se l'attuatore elettroidraulico H-Track riceve un segnale che indica una pressione eccessiva, viene semplicemente rilasciato e in tal modo segnale all'elettronica di resettarlo per poter tornare a dove si trovava”, spiega Graham.
Personalizzato in base ai requisiti di ogni coltivatore, il sistema di controllo della profondità di Graham Electric’s si basa prevalentemente sull'attuatore H-Track di Thomson per mantenere il controllo delle seminatrici.
Solo due fili collegano ciascun attuatore a una scheda di circuito wireless dedicata montata dietro di esso. Oltre a permettere all'attuatore di ricevere dati da sensori di posizionamento che monitorano la profondità, la scheda di circuito consente la condivisione di aggiornamenti di stato in tempo reale con il cruscotto di controllo, integrandolo con un'immagine dettagliata dell'operazione di semina.
Con i sistemi di controllo della profondità di Graham gli operatori addetti alle seminatrici sono in grado di monitorare e regolare lo stato della pressione di ciascun attuatore, rappresentato dalle barre di colore giallo a sinistra.
“Di solito siamo un pollice in più o in meno rispetto al punto di riferimento e la corsa dell'attuatore varia tra 1,24 e 3,25 pollici”, aggiunge Graham. “Se i coltivatori seminano su terrazzamenti o su terreni poco compatti, possono adottare una misura zero per la corsa, o se il terreno è molto duro, possono impostare il livello massimo, ma molto di rado devono utilizzare la corsa completa dell'attuatore”.
Il massimo della pressione che gli attuatori devono applicare è tipicamente compresa tra 50 e 100 libbre oltre il peso di 250 libbre dell'unità di semina stessa. Siamo ben al di sotto della capacità di carico dell'H-Track che è di 4800 libbre.
Graham installa il sistema con un intervento minimo nei sistemi esistenti. Viene utilizzata la batteria da 12 V già presente e non occorrono altri sistemi di gestione dei fluidi né cavi. Sono inoltre presenti meno componenti meccanici soggetti a rottura, perdite o con manutenzione supplementare. Il controllo elettrico fornisce un movimento lineare pulito e fluido, senza tubi idraulici o altri componenti costosi. Il fabbisogno di potenza dell'H-Track è di molto inferiore rispetto a un sistema completamente idraulico poiché gli attuatori necessitano di potenza solo in movimento.
“Inoltre, la comunicazione wireless elimina cablaggi e fili elettrici che sarebbero altrimenti necessari e con questo possiamo mantenere la nostra promessa di semplicità”, specifica Graham.
Godiamo dei vantaggi
Graham ha stimato che il passaggio dalle molle a un controllo elettrico della profondità di semina migliorerà la resa di almeno il 5%. Ha calcolato che un coltivatore che ottenga 200 stai di mais per acro avrà un aumento di 5-6 stai, con un incremento di 18 dollari per acro ovvero 18.000 dollari ogni mille acri nel primo anno, quindi di molto superiore al costo necessario per la conversione. Questo vantaggio aumenta ogni anno insieme a una riduzione dei costi e alla semplicità derivante dalle funzionalità wireless dell'attuatore H-Track di Thomson, oltre al maggior valore di rivendita.
“L'H-Track con la sua camera idraulica indipendente ha rappresentato la struttura portante dell'intero prodotto”, aggiunge Graham. “Una volta ottenuto, abbiamo ultimato la progettazione e realizzato il prodotto commerciale che vendiamo ormai da due anni. Senza i vantaggi di un attuatore elettroidraulico, l'intero prodotto sarebbe decisamente diverso”.
Graham e il suo team sono ora alle prese con altri problemi di automazione della semina, tra cui alcuni che coinvolgono gli attuatori elettroidraulici e altri che fanno uso di attuatori elettrici tradizionali, tutti wireless.
I coltivatori che utilizzano seminatrici multifila (a sinistra) con il sistema di controllo della profondità di Graham e attuatori elettroidraulici Thomson (a destra) sperimentano rese migliorate e un maggior ritorno sul'investimento in meno di un anno.