L`evoluzione tecnica delle macchine per il calcestruzzo


L’evoluzione
tecnica
delle
macchine
per
il
calcestruzzo
Davide
Cipolla,
CIFA
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
innovativi
anche
sulla
forma
e
sulla
geometria
dei
nuovi
prodotti.
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
riduzione
dell’usura,
minimizzando
sempre
più
il
costo
totale
della
proprietà
della
macchina.
Al
fine
di
rispondere
alla
domanda
di
sicurezza,
i
costruttori
di
macchine
si
stanno
orientando
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
scariche
elettriche
delle
linee
ad
alta
tensione.
Infine,
i
test
di
simulazione
sul
ciclo
di
vita
dei
prodotti
sono
sempre
più
importanti
per
offrire
ai
clienti
prodotti
affidabili
e
suggerimenti
per
la
manutenzione
programmata
della
flotta.
1. INTRODUZIONE
La
Ricerca
e
Sviluppo
applicata
alle
macchine
per
il
calcestruzzo
deve
considerare
con
molta
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
fase
di
profonda
recessione.
Le
linee
guida
per
l’evoluzione
tecnica
nel
segmento
dei
macchinari
per
il
calcestruzzo
sono:
•
•
•
Eliminato: 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.
Stefania Alessandrini 3/7/12 16:10
Formattato: Tipo di carattere:(Predefinito)
+Titoli temi, 12 pt
Leggerezza
e
Resistenza:
Nuovi
Materiali
e
Nuove
Tecnologie
Risparmio
energetico
e
rispetto
dell’ambiente
Sicurezza
e
controllo
dell’automazione
luglio
 12
Stefania Alessandrini 3/7/12 16:08
Stefania Alessandrini 3/7/12 16:10
Formattato: Tipo di carattere:(Predefinito)
+Titoli temi, 12 pt, Corsivo
1
•
Affidabilità
ed
estenzioni
di
garanzia.
2. LEGGEREZZA E RESISTENZA: NUOVI MATERIALI E NUOVE TECNOLOGIE
Le
strutture
in
acciaio
alto
resistenziale
hanno
già
raggiunto
i
propri
limiti
di
sviluppo
per
la
realizzazione
di
bracci
di
distribuzione
del
calcestruzzo.
Grafico 1. Braccio in acciaio vs Braccio in carbonio
Solo
l’utilizzo
di
differenti
tecnologie
può
guidare
verso
un
miglioramento
significativo
delle
strutture
in
termini
di
peso.
La
principale
possibilità
esplorata
fino
a
questo
momento
è
rappresentata
dai
materiali
non‐
ferrosi.
L’esperienza
derivante
da
altri
campi
di
applicazione
più
avanzati
(come
l’industria
aerospaziale
e
il
mondo
delle
corse
sportive)
indicano
nei
materiali
compositi
come
la
fibra
di
carbonio,
una
alternativa
più
che
affidabile
in
termini
di
materiali
strutturali,
laddove
le
performance
dell’acciaio
hanno
già
raggiunto
il
proprio
limite
evolutivo.
La
combinazione
dei
concetti
di
leggerezza,
alta
resistenza
e
sostenibilità
ambientale
impattano
direttamente
sui
prodotti,
considerando
non
solo
i
materiali,
la
forma
e
il
design
in
cui
sono
realizzati,
ma
anche
i
processi
con
i
quali
vengono
prodotti.
Questo
sforzo
è
principalmente
orientato
all’adattamento
al
nostro
settore
della
tecnologia
in
questione,
e
a
guidare
il
percorso
di
Ricerca
e
Sviluppo
nei
test
dei
nuovi
materiali
per
la
progettazione
di
bracci
di
distribuzione
del
calcestruzzo.
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
(più
leggere)
viaggiano
su
strada
e
consumano
carburanti,
queste
tecnologie
sono
impattanti
in
termini
di
riduzione
delle
emissioni
dei
mezzi,
e
trovano
applicazione
anche
nella
riduzione
delle
usure
abbassando
quindi
il
costo
totale
di
proprietà
della
macchina.
2.1. Tecnologia: Fibra di carbonio e Forno di Polimerizzazione
luglio
 12
2
Il
processo
necessario
per
produrre
oggetti
in
materiale
composito
è
completamente
differente
dai
processi
comunemente
utilizzati
per
le
strutture
in
acciaio.
Al
posto
del
taglio
e
delle
saldature
(principale
processo
utilizzato
per
l’acciaio),
i
principali
passaggi
sono
rappresentati
dalla
progettazione
degli
stampi
e
dai
processi
di
polimerizzazione.
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
Il
primo
step
quando
si
realizzano
innovazioni
così
radicali
è
la
scelta
del
materiale
più
adatto,
per
valutare
successivamente,
e
la
probabilità
di
successo
dello
stesso
alle
varie
applicazioni
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
svolte
in
cooperazione
con
Istituti
di
Ricerca
e
Università.
luglio
 12
3
Figura 2. Prova di trazione, test a flessione e test di fatica
2.3. Bielle in acciaio vs Bielle in carbonio
L’uso
dei
nuovi
materiali
porta
ad
un
completo
ridisegno
di
ogni
componente
per
permettere
il
migliore
sfruttamento
delle
caratteristiche
degli
stessi.
Il
peso
risparmiato
su
ogni
componente
del
braccio,
come
ad
esempio
le
bielle,
può
essere
anche
maggiore
del
40%.
Figura 3. Sinistra: Biella in acciaio. Destra: Biella in fibra di carbonio
luglio
 12
4
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
quarta
e
la
quinta
sezione
di
un
braccio
lungo
40
metri,
se
costruite
in
carbonio,
permettono
un
risparmio
di
peso
rispettivamente
del
30%
e
del
20%,
mentre
in
termini
di
lunghezza,
i
segmenti
sono
più
lunghi
rispettivamente
del
17%
e
del
18%.
2.5. Vantaggi
Il
peso
e
la
resistenza
(rigidità)
non
sono
i
soli
vantaggi
che
questa
tecnologia
porta
sul
mercato.
È
possibile
aggirare
i
limiti
imposti
per
il
montaggio
di
un
braccio
di
distribuzione
più
lungo
su
un
telaio
in
configurazione
standard
per
il
trasporto
stradale.
L’esperienza
sul
campo
dimostra
come
le
saldature
siano
fonte
di
rotture
indotte
dalle
ripetute
e
prolungate
sollecitazioni.
Le
attrezzature
in
materiale
composito,
dopo
il
processo
di
polimerizzazione
diventano
monolitiche,
e
test
specifici
hanno
dimostrato
un
elevato
livello
di
resistenza
alle
sollecitazioni;
infatti
le
macchine
superano
i
10
anni
di
vita
operativa
simulata
senza
problemi
(test
al
banco
in
scala
1:1).
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
struttura
base
della
pompa
autocarrata.
Questo
ha
un
effetto
diretto
sia
sul
peso
necessario
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
grande
quindi
di
quella
normalmente
coperta
da
un
braccio
di
distribuzione
standard.
Tutto
ciò,
quindi,
permette
di
creare
una
nuova
linea
di
prodotto
con
performance
più
elevate.
Usando
solo
alcuni
componenti
in
fibra
carbonio
la
crescita
dei
costi
può
essere
compensata
da
un
risparmio
sulle
caratteristiche
di
omologazione
del
camion,
e
da
un
risparmio
del
carburante
utilizzato.
Figura 4. Sintesi dei vantaggi dell’utilizzo delle fibre di carbonio sulle macchine per il calcestruzzo
luglio
 12
5
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
produzione
del
braccio,
ma
anche
su
molte
altre
componenti
delle
macchine
e
degli
impianti
di
betonaggio.
Il
target
è
quello
di
ottenere
prodotti
più
leggeri,
resistenti
che
forniscano
allo
stesso
tempo
resistenza
all’usura,
permettendo
un
risparmio
dei
costi.
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),
permettendo
di
raggiungere
una
certa
leggerezza
della
macchina,
e
quindi
un
certo
risparmio
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.
Le
tecnologie
ibride
(Motori
diesel
ed
elettrici)
devono
essere
utilizzate
per
un
più
basso
consumo
di
energia
sui
macchinari
e
impianti
per
il
calcestruzzo,
e
un’attenzione
sempre
maggiore
alle
tematiche
ambientali.
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
minimizzare
i
rischi
di
incidenti
e
infortuni.
Il
controllo
di
stabilità
è
un
esempio
di
tecnologia
già
disponibile
applicata
a
questo
campo
del
sapere,
per
affrontare
al
meglio
uno
dei
rischi
principali
che
possono
riscontrarsi
sui
cantieri.
Vi
sono
inoltre,
altri
sistemi
progettati
per
ridurre
le
oscillazioni
del
braccio
durante
la
fase
di
apertura
e
pompaggio,
o
per
prevenire
un
contatto
con
una
linea
elettrica
aerea.
luglio
 12
6
4.1. Controllo elettronico della stabilità e registrazione dati
Il
sistema
di
controllo
di
stabilità
verifica
il
corretto
posizionamento
della
macchina,
la
configurazione
degli
stabilizzatori
attraverso
dei
sensori
e
calcola
i
limiti
dell’area
operativa
qualora
la
stabilizzazione
non
fosse
completa.
Il
sistema
calcola
di
continuo
l’effettivo
coefficiente
di
stabilità
confrontando
l’area
di
stabilizzazione
con
l’effettivo
momento
ribaltante.
Questo
controlla
attivamente
il
braccio
di
distribuzione
in
2
momenti:
man
mano
che
si
raggiunge
il
limite
dell’area
di
sicurezza:
in
un
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’area
di
stabilità.
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
(come
sovraccarico
del
braccio,
pressioni
e
temperature).
Gli
intervalli
programmati
di
manutenzione,
come
ad
esempio
la
manutenzione
basata
sull’effettivo
utilizzo,
sono
tutti
evidenziati
e
segnalati.
In
questo
modo,
questi
nuovi
sistemi
rappresentano
un
effettivo
aiuto
nel
manutenere
le
macchine
in
piena
operatività.
4.2. Controllo operativo del braccio (Active Boom Control)
Il
controllo
elettronico
del
braccio
(Active
Boom
Control)
riduce
le
oscillazioni
durante
l’utilizzo
e
migliora
la
sicurezza
generale
dell’operatore.
L’efficacia
del
controllo
del
braccio
di
distribuzione
è
limitata
dal
fenomeno
delle
oscillazioni
alle
quali
il
braccio
è
soggetto,
mentre
distribuisce
il
calcestruzzo.
Maggiore
è
la
lunghezza
del
braccio
e
il
numero
di
segmenti,
più
questo
problema
è
sentito.
Le
oscillazioni
causano
considerevoli
difficoltà
per
l’operatore
della
pompa
autocarrata,
che
è
il
responsabile
per
il
posizionamento
del
bracci
e
per
gli
operai
preposti
alla
posa
del
calcestruzzo
che
fuoriesce
dal
tubo
terminale.
Un’importante
causa
di
queste
vibrazioni
derivano
dalle
caratteristiche
costruttive
proprie
delle
strutture
di
questo
tipo
di
macchine,
caratterizzate
da
snellezza,
inerzia
ed
elasticità.
La
macchina
lavora
muovendo
il
braccio
da
un
punto
di
getto
all’altro
e
quindi
cambiando
la
sua
configurazione,
questo
implica
sollecitazioni
dinamiche
nelle
sezioni
e
nelle
articolazioni
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
pistoni
usata
per
il
calcestruzzo,
che
spesso
avviene
a
frequenze
vicine
a
quelle
proprie
delle
strutture
dei
bracci.
L’effetto
di
questi
fenomeni
è
una
limitazione
alla
vita
operativa
della
macchina
e
una
riduzione
della
sicurezza
dei
lavoratori.
Un
circuito
di
controllo
idraulico
dedicato,
controllato
da
una
centralina
elettronica
che
riceve
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
impostazioni
di
comando
impostate
dagli
operatori.
luglio
 12
7
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
allunghino
la
vita
attesa
dei
singoli
componenti
del
braccio,
limitando
il
fenomeno
della
fatica
e
dell’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
Il
rischio
del
contatto
tra
un
braccio
di
distribuzione
del
calcestruzzo
e
una
linea
elettrica
può
essere
ridotto
introducendo
un
sistema
elettronico
di
controllo
per
avvisare
l’operatore
della
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
altri
fattori
come
l’umidità
dell’aria.
È
possibile
individuare
i
campi
elettrici
a
distanza
elevata
dai
piloni
e
sviluppare
un
nuovo
componente/sensore
e
un
nuovo
software
per
controllare
e
fermare
la
macchina.
Figura 7. Un esempio tecnico studiato con metodo Analisi Elementi Finiti (Finite Element Analysis)
luglio
 12
8
5. AFFIDABILITÀ ED ESTENSIONI DI GARANZIA
Infine,
i
test
di
simulazione
del
ciclo
di
vita
della
macchina
con
l’uso
di
test
di
resistenza
fatti
su
scala
1:1
sono
sempre
più
importanti
per
progettare
la
macchina,
anticipando
e
calcolando
tutti
i
possibili
eventi
di
manutenzione
e
offrire
ai
client
prodotti
affidabili
con
garanzie
estese
e
indicazioni
per
i
programmi
di
manutenzione
programmata
della
flotta.
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,
efficienti
e
sicuri.
La
Ricerca
e
Sviluppo
sta
esplorando
3
macro‐campi
di
interesse:
dall’uso
dei
nuovi
materiali
all’uso
dei
sistemi
elettronici
di
controllo
e
la
tecnologia
ibrida.
La
Ricerca
e
Sviluppo
relativa
ai
nuovi
materiali
può
avere
un
impatto
positivo
sull’usura
dei
prodotti,
così
come
sul
peso
e
sul
risparmio
energetico.
Di
contro,
l’uso
dei
sistemi
elettronici
può
supportare
la
sicurezza
degli
operatori,
l’affidabilità,
la
diagnostica
così
come
la
tecnologia
ibrida
può
aiutare
nel
risparmio
energetico
e
nel
rispetto
dell’ambiente.
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