Nuove prospettive per la semina di precisione

Mattia Carraro è il vincitore dell'AgroInnovation award con la tesi "Analisi delle vibrazioni per seminatrici di precisione"

mattia-carraro-vincitore-2017-agroinnovation-award-fonte-mattia-carraro.jpeg

Il vincitore della categoria 'meccanica agraria'

Ormai da diversi anni nel settore della meccanizzazione agraria si assiste a una chiara tendenza verso l'integrazione di sensori e componenti elettroniche nelle attrezzature per migliorarne prestazioni, capacità di controllo e di monitoraggio. 

Nel caso delle seminatrici da anni si stanno sperimentando diverse soluzioni innovative, e se fino a poco tempo fa le tecniche per migliorare le prestazioni di semina agivano sul selettore, sulla pressione di aspirazione e sulla scelta del disco, ora si cerca di regolarizzare non solo la distanza tra i semi ma anche la profondità di semina, con soluzioni che contrastano e compensano in tempo reale i movimenti oscillatori verticali tramite pistoni idraulici. 

Variazioni di profondità possono modificare il tempo di emergenza della plantula e quindi il suo stadio di sviluppo, che può quindi essere ritardato di diversi giorni. La profondità di semina inoltre va a determinare anche la quantità di umidità con la quale sarà a contatto il seme, indispensabile per la sua germinazione. Va inoltre notato che le oscillazioni verticali dell'elemento di semina possono costipare il terreno nella parte subito adiacente al seme influenzando negativamente lo sviluppo della futura pianta a partire dalla prima radichetta.

Un approccio al monitoraggio ancora poco diffuso in agricoltura riguarda l'analisi delle vibrazioni sulle attrezzature o sugli organi lavoranti. In questo senso il potenziale di sviluppo è molto ampio, in quanto la tecnologia necessaria è molto diffusa (basti ricordare che accelerometri con buone prestazioni e a basso costo sono presenti in tutti i cellulari). 

L'idea di base che ha ispirato questo lavoro di tesi è il fatto che l'integrazione di sensori di vibrazione su elementi di semina non solo è tecnicamente possibile ad un prezzo di industrializzazione relativamente contenuto in proporzione al valore delle macchine installati stesse, ma anzi sarebbe raccomandabile per facilitarne il monitoraggio e il controllo.
 
Posizionamento di uno dei sensori su un elemento esterno
Esempio di posizionamento di uno dei sensori su un elemento esterno

In questo studio si è dunque analizzato l'insieme di vibrazioni a cui è sottoposto un elemento di semina di una seminatrice di precisione, considerando seminatrici diversi modelli operanti ognuno ad almeno tre differenti velocità di semina e su suoli diversi. In particolare i test sono stati ripetuti su elementi di semina posizionati centralmente e lateralmente su macchine Matermacc, Monosem e Mascar

Lo studio ha avuto come obiettivo non tanto quello di capire l'origine delle vibrazioni, quanto piuttosto quello di comprendere nel loro insieme le caratteristiche generali delle vibrazioni e il loro ruolo nei confronti delle prestazioni di semina.
 
Modello twin
Matermacc modello Twin e relativa posizione del sensore sull'elemento esterno

L'obiettivo è stato dunque quello di validare l'uso di sensori di vibrazioni da impiegare successivamente per un controllo della regolarità di semina, basato non più sulla parzializzazione della pressione o delle aree libere dei fori dei dischi di semina, quanto piuttosto sul controllo delle vibrazioni.

Tale controllo potrà avvenire in tempo reale, operando in due modi alternativi: 
  • un primo approccio accessibile ad ogni tipo di macchina, ottenuto semplicemente tramite un controllo (riduzione) della velocità di avanzamento;
  • un secondo approccio realizzato ad hoc, ottenuto fornendo un feedback a sospensioni attive opportunamente installate sugli elementi di semina. 

La caratterizzazione delle vibrazioni è stata ottenuta analizzando intensità e frequenza. Per quanto riguarda l'intensità ha preso in considerazione il modulo dell'accelerazione sui tre assi ortogonali ed espresso come valore relativo rispetto all'accelerazione di gravità 'g' per le frequenze sono state invece valutate le inversioni di direzione nelle accelerazioni medie verticali. 

Per tutte le macchine e gli elementi analizzati nelle diverse configurazioni di lavoro, sono state riscontrate ampiezze di vibrazione durante la fase operativa in generale comprese tra i 0,20 e i 0,50 1/g, con frequenze tipicamente comprese nell'intervallo 20-30 Hz. Inoltre analizzando i dati si può riconoscere effettivamente una correlazione quasi lineare tra vibrazioni e velocità.
Questo a supporto dunque della tesi che la velocità può essere adottata come controllo per mantenere al di sotto di una soglia limite le vibrazioni in fase di lavoro. 

Lo studio ha delineato anche alcune anomalie interessanti
In alcuni casi in corrispondenza di un consistente aumento della velocità (>3m/s) si osserva un assestamento delle vibrazioni sia in termini di ampiezza che di frequenza. Questo è probabilmente riconducibile a fenomeni di inerzia che acquista la seminatrice: questa dunque anziché risentire delle increspature e della zollosità superficiale del letto di semina, grazie alla sua inerzia tende a "spianare" le creste e a saltare i piccoli avvallamenti in una specie di saltellamento continuo simile ad una sorta di galleggiamento, con l'effetto appunto di attenuare le vibrazioni complessive sugli elementi lavoranti. 
Tale risultato è interessante in quanto richiama al fatto che in alcune condizioni un aumento della velocità di semina può risultare in una operazione meno disturbata e dunque più omogenea e precisa.
 
Ampiezza
Rappresentazione semplificata della variazione di ampiezza della vibrazione nel corso del tempo

Inoltre lo studio ha dimostrato una chiara correlazione tra l'andamento degli elementi di semina posti esternamente e quelli posizionati a centro macchina, ma con caratteri di sistematicità opposti. Infatti se in alcuni casi le ampiezze di vibrazione misurate su un elemento esterno risultavano essere sistematicamente maggiori rispetto a quanto evidenziato dagli elementi centrali, in altre macchine la maggiore variabilità era all'opposto caratteristica degli elementi di semina interni. Questo comportamento è evidentemente condizionato nello specifico dalle caratteristiche costruttive della seminatrice, dal sistema di aggancio dell'elemento rispetto al telaio della seminatrice stessa, dal tipo di influenza che esercita l'attacco al trattore, dalla posizione della ventola di depressione rispetto al sensore utilizzato, dal maggiore compattamento in prossimità delle ormaie e probabilmente da altre variabili più difficili da identificare. Questa disomogeneità di comportamento richiama chiaramente alla necessità di una maggiore attenzione nella taratura e nella definizione dei settaggi operativi delle seminatrici. 

L'utilizzo più immediato dei dati ottenuti è quello di creare un modello in grado di simulare le vibrazioni percepite in fase di lavoro, realistico sia per intensità che per frequenze, da usare per collaudare nuovi progetti di elementi antivibranti. Il test si può effettuare sia tramite simulatori virtuali che tramite organi meccanici creati appositamente (martinetti pneumatici o idraulici) da applicare fisicamente ad un elemento di semina per prova da banco.

Lo studio della variabilità di comportamento in base alle caratteristiche della macchina e anche della posizione dell'elemento di semina può essere utile non solo dal lato del costruttore in fase di progettazione creando sistemi per contrastare eventuali comportamenti anomali in alcune particolari condizioni ma anche e soprattutto per l'utilizzatore nel regolare la rigidità dei singoli elementi in modo da massimizzare l'omogeneità di comportamento degli stessi, a differenza della tendenza comune di regolare tutti gli elementi allo stesso modo.
 
Rappresentazione delle frequenze di vibrazione dell'elemento esterno in funzione dell'elemento interno
Rappresentazione delle frequenze di vibrazione dell'elemento esterno in funzione dell'elemento interno

Infine sarebbe interessante ipotizzare sistemi che in tempo reale diano in grado di determinare valori soglia (massimi o minimi) di velocità in cui le prestazioni rimangono accettabili per una determinata seminatrice in base alle oscillazioni a cui è sottoposta, per poi restituire in tempo reale dei feedback all'operatore, consentendo quindi di spingere la velocità di avanzamento fino ai limiti di vibrazioni massime prefissate per la macchina, potendo quindi aumentare le capacità di lavoro delle seminatrici anche nelle situazioni più difficili quali ad esempio quelle con maggior zollosità o con presenza di residui colturali, soprattutto nelle gestioni conservative e di minima lavorazione a cui si tende negli ultimi anni.
 
Variazione media quadratica
Variazione della vibrazione intesa come deviazione media quadratica in valore relativo a g rispetto al variare della velocità di lavoro.

Scarica la tesi completa
Per eventuali contatti: mattiacarraro94@gmail.com

AgroInnovation Award è il premio di laurea istituito da Image Line in collaborazione con l'Accademia dei Georgofili al fine di promuovere la diffusione di approcci innovativi, strumenti digitali e l'utilizzo di internet in agricoltura.

AgroInnovation Award

Scopri come candidarsi all'AgroInnovation Award 2018 e leggi le tesi vincitrici della prima edizione.

Ti è piaciuto questo articolo?

Registrati gratis

alla newsletter di AgroNotizie
e ricevine altri

Unisciti ad altre 202.195 persone iscritte!

Leggi gratuitamente AgroNotizie grazie ai Partner