In tutte le occupazioni, anche nelle attività agricole, spesso le condizioni operative determinano la qualità dei risultati. Se il conducente sta comodo sul trattore, non è condizionato dal proprio malessere e rimane concentrato sul lavoro da svolgere.
La fatica è minore e il rendimento maggiore quando l'operatore trova a bordo dispositivi per l'aumento del comfort e della sicurezza, in particolare sistemi per la riduzione delle vibrazioni trasmesse dal mezzo al posto di guida.
Le vibrazioni sono il problema
Secondo la definizione data dall'Inail nel Manuale operativo "Progettazione acustica e vibratoria di macchine e attrezzature per uso agricolo" del 2021, le vibrazioni sono oscillazioni meccaniche di sistemi, dotati di elasticità e inerzia, intorno a una posizione di equilibrio. Possono essere divise in libere e forzate: le prime si verificano quando il sistema vibra sotto l'azione di forze inerenti al sistema stesso, le seconde avvengono sotto l'azione di forze esterne applicate al sistema.
Le vibrazioni meccaniche rappresentano ancora una criticità del lavoro in agricoltura, poiché possono causare precoci usure e rotture delle macchine, ma anche disturbi e danni alla salute dei conducenti a bordo.
Trattoristi, attenzione all'esposizione
Per l'Inail, la salute dei driver esposti quotidianamente alle vibrazioni può risentirne in modo irreversibile nel lungo termine. Tra le malattie professionali denunciate nel settore agricolo tra il 2014 e il 2018, quelle del sistema osteomuscolare e del tessuto connettivale rappresentano il 70% del totale, seguite da quelle del sistema nervoso (22%). Principali cause di tali patologie sono proprio le vibrazioni, pericolose perché interferiscono con le caratteristiche di rigidezza e smorzamento - quindi con la frequenza di risonanza - degli organi umani. Quando la frequenza delle oscillazioni sul guidatore è vicina alla frequenza di risonanza di un suo organo, si verifica una condizione critica perché la capacità di assorbimento delle sollecitazioni meccaniche è minima o addirittura nulla.
L'esposizione prolungata a vibrazioni può causare malattie del sistema osteomuscolare e del tessuto connettivale
(Fonte foto: Inail)
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Le vibrazioni con frequenze tra 2 e 80 Hertz possono originare problemi di risonanza di singole parti del corpo, mentre quelle sotto i 2 Hertz coinvolgono l'intero organismo provocando disturbi acuti che però scompaiono dopo poco tempo. Infine, quelle con frequenze sopra gli 80 Hertz interessano solo gli strati superficiali e quindi vengono facilmente attenuate.
Le oscillazioni si differenziano tra quelle riguardanti l'insieme mano-braccio che si riscontrano nell'uso di mezzi condotti a mano e quelle trasmesse al corpo intero che si manifestano alla guida dei trattori. Nel dettaglio, un conducente seduto sulla trattrice è sensibile alle vibrazioni con frequenze da 0,4 a 80 Hertz e ancora di più a quelle da 2 a 20 Hertz, che sono le più prodotte dalle macchine agricole.
Si valuta il rischio vibrazionale per l'utente considerando la frequenza, ma anche l'asse sollecitato (verticale o orizzontale) del corpo, la durata e la continuità dell'esposizione, il livello di vibrazioni. La combinazione di questi dati fornisce un valore globale che va confrontato con i limiti previsti dalle norme vigenti per la tutela dei lavoratori.
Per la valutazione del rischio, il monitoraggio delle vibrazioni meccaniche fa riferimento soprattutto al decreto legislativo 81/2008, che indica livelli da non superare circa l'esposizione degli operatori alle vibrazioni, e alla ISO 2631-1 del 2014 che indica i metodi per quantificare le vibrazioni trasmesse al corpo intero.
Oscillazioni: come si misurano?
Non è facile stabilire l'entità delle vibrazioni trasmesse in cabina perché questa dipende dalle caratteristiche costruttive di un trattore, ma anche dalle condizioni operative (stato del terreno, attrezzo collegato, ecc.).
Tuttavia possiamo partire dal principio che ogni sistema meccanico si basa su una massa, una molla e uno smorzatore. Se questi tre componenti sono sottoposti all'effetto di una forza costante, reagiscono rispettivamente con un'accelerazione, uno spostamento e una velocità costanti facendo oscillare il sistema (con una resistenza minima) a una certa frequenza di risonanza e amplificando l'effetto vibrazionale. In questo caso, lo smorzatore riduce progressivamente l'ampiezza delle oscillazioni.
Le vibrazioni sono dunque quantificabili in relazione all'accelerazione, allo spostamento e alla velocità dei componenti tramite sensori di vario tipo. Tra i più diffusi, gli accelerometri piezoelettrici convertono le oscillazioni in segnali elettrici proporzionali alla loro intensità che poi vengono corretti con appositi filtri per ottenere una misura rappresentativa del rischio vibrazionale.
Componenti di un accelerometro piezoelettrico
(Fonte foto: Dewesoft)
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Dotato di uno o più accelerometri e posizionato sul sedile o indosso al driver, il dosimetro determina la "dose" di oscillazioni ricevuta in un certo periodo, di solito pari a 8 ore. È possibile misurare l'esposizione del driver come una percentuale rispetto a un limite predefinito o come una registrazione temporale dei livelli. Quest'ultima consente di individuare eventuali picchi di disturbo (Fonte dati: Domenico Pessina, professore ordinario di meccanica agraria presso l'Università degli studi di Milano).
Vari sistemi antivibranti sulle trattrici
Per tutelare i trattoristi, occorre realizzare nuovi trattori capaci di smorzare il più possibile le vibrazioni. In fase di sviluppo dei modelli, i costruttori identificano le principali sorgenti di oscillazioni, valutano la loro ampiezza alla sorgente con accelerometri e intervengono per limitare la loro trasmissione al driver con sistemi antivibranti.
"Durante la progettazione realizziamo sistemi prototipali per misurare la propagazione delle vibrazioni tra carro e cabina, nonché per testare le interfacce tra conducente e posto guida - spiega Massimiliano Del Bue, direttore Tecnico di Argo Tractors, che produce in casa le cabine per i trattori da 49 a 313 cavalli. Con le prime misure, gestite con accelerometri a monte e a valle delle sospensioni, valutiamo la riduzione dell'ampiezza e dell'intensità delle oscillazioni a varie frequenze. Stimiamo anche la loro intensità sull'insieme mano-braccio e sul corpo intero dell'operatore".
Classificazione dei sistemi antivibranti per tipologia e posizione
(Fonte foto: Inail)
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Tra i sistemi antivibranti, troviamo le sospensioni installate tra due strutture per isolarle tra loro, gli assorbitori inseriti in una struttura per smorzare le vibrazioni in uno specifico punto e i risonatori posizionati alla sorgente per ridurre la sollecitazione meccanica all'origine. In base al principio di funzionamento, i tre tipi di sistemi possono essere:
- passivi, in grado di modificare la risposta del sistema meccanico in termini di caratteristiche di massa, smorzamento o rigidezza, ma non di adattarsi alle variazioni delle condizioni operative o delle proprietà dinamiche del sistema;
- semi-attivi, capaci di modificare il comportamento del sistema meccanico e di adattarsi alle variazioni delle condizioni operative e delle proprietà dinamiche;
- attivi, dotati di uno o più attuatori che garantiscono un'eccitazione aggiuntiva finalizzata al controllo delle oscillazioni, generando una vibrazione opposta a quella rilevata per annullarne l'effetto.
Concentriamoci sulle sospensioni: una soluzione passiva che sostituisce una connessione rigida riduce la capacità di trasmissione delle vibrazioni, ma è inefficace quando la struttura è sottoposta a oscillazioni con frequenze mutevoli al variare della condizione operativa (ad esempio, nel passaggio da una strada asfaltata a un terreno sconnesso).
Nella stessa situazione, una sospensione semi-attiva si comporta meglio poiché tramite un attuatore adatta i propri valori di smorzamento, rigidezza o posizione a seconda dello stato della struttura.
Ancora più performante in condizioni molto mutevoli, una sospensione attiva usa accelerometri, una centralina elettronica e un attuatore idraulico o elettroidraulico di capacità maggiore rispetto a quello di una semi-attiva. Gli accelerometri rilevano i livelli vibrazionali e inviano le informazioni a una centralina che pilota l'attuatore in modo che generi oscillazioni in controfase annullando la sollecitazione. Questo, a sua volta, genera una forza interna variabile che modifica l'energia trasmessa, minimizzando le vibrazioni.
Schema di funzionamento di una sospensione semi-attiva e di una attiva
(Fonte foto: Inail - Universita` degli Studi di Roma La Sapienza e Universita` degli Studi dell'Aquila)
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Assali sospesi, cosa c'è in commercio?
Sui trattori le sospensioni sono installate sull'assale anteriore (talvolta come optional), alla base della piattaforma e tra il pianale e il sedile di guida. Se inizialmente le sospensioni sull'asse anteriore minimizzavano il beccheggio del trattore che si manifesta nel traino di rimorchi o macchine operatrici, ad alte velocità su strada o per l'oscillazione verticale dei pneumatici posteriori combinata con la spinta del mezzo trainato, in seguito sono state migliorate per rendere il trattore più stabile anche nella percorrenza di traiettorie curve.
Disponibili prima solo sui modelli da campo aperto e poi anche sugli specializzati, le sospensioni anteriori hanno subito una notevole evoluzione. Oggi sono molto diffuse le versioni semi-attive a un cilindro, a due cilindri o a ruote indipendenti. Le prime due hanno cilindri idraulici fissati anteriormente tra l'assale incernierato e il corpo trattore, mentre la terza prevede cilindri connessi alle ruote anteriori, collegate al telaio con un parallelogramma articolato.
I cilindri sono sempre integrati da un accumulatore ad azoto, cioè una camera con azoto in pressione, in comunicazione diretta con l'olio del cilindro. Su terreni sconnessi l'olio fluisce dal cilindro all'accumulatore, producendo variazioni di pressione nelle camere che consentono un ritorno dell'assale nella posizione di equilibrio. La differenza di densità dei due fluidi fa sì che l'azoto assorba gli scossoni prodotti in caso di buche e cunette, mentre l'olio provvede a "smussare" le irregolarità del profilo del terreno.
Più avanzate e gestite tramite i segnali di un accelerometro anteriore, le sospensioni attive mantengono le condizioni del trattore costanti a prescindere dalle forze esterne e possono essere bloccate temporaneamente per aumentare la precisione delle manovre nella gestione dei carichi sospesi, con il caricatore frontale o con i sollevatori. In ogni caso, tutte le sospensioni possono essere escluse per migliorare la trazione in certe situazioni.
Sospensione a pivot centrale sull'assale anteriore dei trattori Landini Serie 5
(Fonte foto: Argo Tractors)
"In genere installiamo assali sospesi a bracci indipendenti, forniti da Carraro Agritalia, sui trattori oltre i 150 cavalli e sospensioni a pivot centrale, prodotte nei nostri stabilimenti di Luzzara, sulle medie potenze e sugli specialistici - precisa Del Bue. Tutti questi sistemi concorrono a limitare il trasferimento delle vibrazioni dalla strada al carro e, essendo a controllo elettronico, permettono di gestire diverse tarature ottenendo una marcia confortevole in campo e su strada".
Anche il Gruppo SDF - che produce internamente tutte le cabine - offre un'ampia gamma di assali sospesi, tra cui alcuni destinati alle alte potenze sono sviluppati insieme a fornitori esterni.
Cabina: isolamento sempre eccellente
Quasi sempre la cabina è isolata dal telaio della trattrice mediante il montaggio di tasselli antivibranti (o silent-block), costituiti da distanziali in gomma ad alta densità. I tasselli smorzano le vibrazioni con frequenze superiori ai 20-30 Hertz che sollecitano le pannellature dell'abitacolo trasformandolo in una cassa di risonanza e quindi aumentando il livello di rumorosità.
Spesso, alcuni o tutti i silent-block sono sostituiti da sospensioni che attenuano le oscillazioni tra 15 e 20 Hertz, piuttosto rischiose per l'operatore. Le cabine attuali possono avere - solo posteriormente o su tutti i supporti - combinazioni di molle e smorzatori meccanici o idraulici (composti da cilindri e accumulatori ad azoto) o le più evolute sospensioni pneumatiche. Alcuni trattori di alta gamma sono disponibili con due o più combinazioni di sistemi per offrire maggiore libertà di scelta.
"Gli specializzati e i trattori da campo aperto Landini e McCormick con potenze fino a 175 cavalli hanno sospensioni meccaniche con ammortizzatori posteriori a molla con barra Panhard, posti al posteriore della cabina - afferma Del Bue. Diversamente, i modelli più potenti possono montare, in alternativa alle sospensioni meccaniche, sistemi elettroidraulici a controllo semi attivo che aumentano ulteriormente il comfort operativo".
Sospensione pneumatica per la cabina del trattore Deutz-Fahr 8280 TTV
(Fonte foto: AgroNotizie)
"Alcune gamme da pieno campo Deutz-Fahr, come la nuova Serie 6.4, possiedono sospensioni meccaniche della cabina, mentre quelle di maggiore potenza, come le serie 7 TTV e 8280 TTV, vantano sistemi pneumatici - dichiara Vanni Ferrari, Marketing manager Italia di SDF. Diversamente, sulle linee da vigneto e frutteto Same e Deutz-Fahr proponiamo cabine sospese su hydro silent-block che permettono di ridurre le vibrazioni fino al 40% rispetto ai componenti classici".
Oggi il sedile è (quasi) una poltrona
Prime tra le soluzioni introdotte per ridurre la trasmissione di vibrazioni, le sospensioni dei sedili intervengono sulle oscillazioni a bassa frequenza. Le versioni più recenti hanno un supporto meccanico, spesso basato su un dispositivo a pantografo o a parallelogramma articolato, e un ammortizzatore che può essere di tipo meccanico, idraulico o pneumatico.
Nei sistemi passivi, l'ammortizzatore è generalmente composto da un cilindretto idraulico (regolabile con una pompa) o da una molla ad aria, un contenitore cilindrico elastico che viene gonfiato a pressioni variabili da un piccolo compressore. Attivata da un comando a pulsante, la regolazione della pressione nella molla ad aria, modifica la rigidezza della sospensione in modo da adattare lo smorzamento alla massa dell'operatore.
Per evitare errori di settaggio da parte dei driver, da alcuni anni ci sono sistemi di supporto alla regolazione e sedili che regolano in automatico l'altezza e la rigidezza della sospensione in base alla massa del conducente.
Le sospensioni semi-attive garantiscono un'attenuazione più efficace delle vibrazioni. In questo caso, un sensore di posizione ed eventualmente un accelerometro monitorano l'oscillazione del sedile, inviando segnali in tempo reale a un microprocessore che agisce sull'ammortizzatore con fluido reologico. Tale fluido modifica la sua viscosità in relazione all'esposizione a un campo magnetico modulato dal microprocessore in modo da variare la rigidezza della sospensione.
Nelle sospensioni attive un vero e proprio sistema di attuazione contrasta l'oscillazione del sedile.
Sedile con sospensione pneumatica attiva di un trattore McCormick
(Fonte foto: Argo Tractors)
"Tutti i sedili degli specializzati e dei trattori da campo aperto Landini e McCormick vantano sistemi di sospensione: si va dai più semplici dispositivi meccanici a quelli pneumatici di ultima generazione, con sospensione attiva lungo gli assi verticali e longitudinali" sostiene Del Bue.
"Anche tutti i trattori Same e Deutz-Fahr venduti in Europa hanno sedili sospesi per via meccanica o pneumatica, poiché da molto tempo non si usano più i sedili rigidi" fa sapere Ferrari.
Comfort, alto anche grazie ad altre soluzioni
La trasmissione di vibrazioni può essere limitata anche attraverso il montaggio di pneumatici specifici o altri sistemi. Le gomme con sezioni più larghe e pressioni di gonfiaggio inferiori (meno di 1 bar) esaltano l'elasticità dei fianchi, che agiscono come smorzatori, aiutati anche dal notevole volume interno d'aria della copertura.
In particolare, i pneumatici IF (Increased Flexion) e VF (Very high Flexion) contribuiscono a smorzare in modo efficace l'input vibrazionale nell'asse verticale, il più pericoloso per il driver. Il merito è sia dei fianchi più elastici - ottenuti grazie a speciali mescole - sia del tallone più grande e flessibile che, tra l'altro, permettono di contenere l'usura anche con carichi elevati e basse pressioni di gonfiaggio.
"Oltre a scegliere con cura i treni di gomme per i nostri trattori, installiamo damper torsionali sul volano motore che riducono le vibrazioni originate dalle irregolarità e dai transitori di coppia del propulsore durante le lavorazioni - chiarisce Del Bue. Inoltre, in fase di sviluppo degli impianti idraulici, inseriamo sistemi per l'isolamento delle tubazioni dal carro e dalla cabina e ulteriori silenziatori. Tali dispositivi agiscono sulle oscillazioni proprie delle tubazioni eliminando l'innesco di risonanze".
I pneumatici Trelleborg Pneutrac riducono la trasmissione di vibrazioni sulla Serie 5 DF-DS-DV TTV di Deutz-Fahr
(Fonte foto: Deutz-Fahr)
"Noi possiamo montare sui modelli da campo aperto pneumatici municipali e stradali, dotati di battistrada scolpito ed efficienti nella riduzione delle vibrazioni durante il trasporto. Inoltre, proponiamo gli specializzati con i pneumatici ibridi Pneutrac di Trelleborg, caratterizzati da un profilo ad omega dei fianchi che assicura un'elevata impronta a terra e, al contempo, una grande capacità di contenere le vibrazioni" commenta Ferrari.
Livelli di vibrazione ancora più bassi sono ottenibili con il bloccaggio del differenziale anteriore al 100% che limita il saltellamento dei trattori, con un sistema anti-dumping (di solito integrato nel terzo punto del sollevatore), che riduce le oscillazioni di attrezzi portati posteriormente e con il corretto bilanciamento tra peso anteriore e posteriore delle motrici.
