Pala gommata 101: nozioni di base sulla meccanica dello sterzo articolato e del leveraggio della benna.

Nonostante l'aspetto semplice – pneumatici sia anteriori che posteriori – la pala gommata si basa su una filosofia progettuale per la sterzata e lo scavo diversa da quella dell'escavatore idraulico e del bulldozer. Lo "sterzo articolato", in cui la parte anteriore e posteriore del corpo si ripiegano come una cerniera, e l'"unità di carico", che solleva la benna anteriore tramite un cilindro idraulico e un leveraggio, sono gli elementi che definiscono il carattere di questa macchina.

Una pala gommata in servizio

Immagine: Volvo Pala gommata L90G in un cantiere a Palo Alto (Grendelkhan, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Non si tratta della serie WA di Komatsu discussa nel testo, ma di un esempio rappresentativo per la comprensione dello sterzo articolato e della configurazione del leveraggio della benna.

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Figura 1 - Il tipo a Z utilizza una leva a gomito per reindirizzare la forza e ottenere una grande forza di spinta. Il tipo a leveraggio parallelo mantiene l'angolo della benna pressoché costante anche durante il movimento verticale. La sezione inferiore mostra l'angolo di articolazione dello sterzo articolato.

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• La maggior parte delle pale gommate adotta lo sterzo articolato, in cui i telai anteriore e posteriore si piegano a metà. L'estensione e la retrazione dei cilindri di sterzo creano l'angolo di articolazione, modificando la direzione dell'intero corpo.

• Il leveraggio della benna è composto da Due tipi: il tipo a barra a Z (Z-link), che utilizza una manovella per ridirezionare la forza, e il tipo a bracci paralleli, che utilizza un sistema di leveraggio a quattro barre parallele per mantenere l'angolo della benna pressoché costante. I due differiscono per l'equilibrio tra forza di spinta, visibilità e prestazioni di livellamento.

• La forza di strappo (la forza generata sul bordo tagliente della benna) è la quantità di spinta del cilindro della benna trasmessa attraverso il braccio di leva del leveraggio e varia con l'angolo del leveraggio anche alla stessa pressione idraulica. La norma SAE J732 fornisce un vocabolario condiviso di termini di specifica per le pale caricatrici per confrontare questo tipo di valore.

• L'escavatore idraulico gestisce "scavo e carico" in un'unica macchina, mentre il bulldozer è una macchina per "spinta e livellamento", e la pala gommata è ottimizzata per "raccolta, carico e trasporto". Le differenze nel raggio di lavoro e nella pressione al suolo riflettono anche questa divisione dei ruoli.

• La serie WA di Komatsu pubblica la potenza del motore, la capacità della benna e la forza di strappo dalla classe mini fino alla classe... Classe media, che fornisce una base per la selezione del modello.

1. La cinematica dello sterzo articolato

Anziché sterzare le ruote anteriori, molte pale gommate adottano uno sterzo "articolato", in cui il corpo del veicolo si piega a metà strada tra il telaio anteriore e quello posteriore. Una coppia di cilindri di sterzo, uno a sinistra e uno a destra, spinge e tira una cerniera verticale che unisce i telai anteriore e posteriore, creando un angolo di articolazione \gamma.

Indicando con a la distanza dalla cerniera all'asse anteriore e con b la distanza dalla cerniera all'asse posteriore, un modello semplificato che presuppone uno slittamento trascurabile degli pneumatici a bassa velocità (rotolamento puro) fornisce un raggio di sterzata in corrispondenza della cerniera pari a circa

Maggiore è l'angolo di articolazione, minore è il raggio di sterzata, riducendo il numero di manovre avanti e indietro necessarie in spazi ristretti. D'altra parte, maggiore è la sovrapposizione tra le ruote anteriori e posteriori, minore sarà il raggio di sterzata. Telaio anteriore e posteriore, maggiore è il compromesso tra raggio di sterzata minimo e passo. Rispetto ai veicoli con sterzatura anteriore, la relazione tra il baricentro del veicolo e il suo punto di contatto con il terreno in una macchina articolata cambia più facilmente durante una curva, e una curva stretta con una benna completamente carica di terra aumenta il rischio di ribaltamento. Questa è una sfida di progettazione della stabilità specifica per le pale gommate, distinta dalla sterzata su cingoli di un escavatore idraulico o di un bulldozer.

2. Il leveraggio della benna: tipi a barra a Z e a bielle parallele

All'estremità del braccio di sollevamento, la benna si muove verso l'alto/il basso, si comprime (raccoglie) e scarica (scarica) tramite un cilindro della benna e un leveraggio (bilanciere). I due tipi rappresentativi sono i seguenti.

Tipo a barra a Z (bilanciere a Z): un bilanciere è posizionato a metà del braccio di sollevamento, reindirizzando il movimento del cilindro della benna attraverso un leveraggio a forma di "kuno-ji" (gomito a Z) alla benna. Poiché un elevato rapporto di leveraggio può essere Questo sistema, se utilizzato correttamente, facilita l'ottenimento di una grande forza di spinta (coppia di sollevamento) a parità di spinta del cilindro, risultando adatto a lavori di scavo. D'altro canto, in posizioni elevate del braccio di sollevamento, l'angolo della benna tende a variare, complicando in qualche modo la visibilità e il controllo dell'angolo di scarico.

Tipo a collegamento parallelo: Un collegamento ausiliario, parallelo al braccio di sollevamento, sostiene la benna, e un sistema a quattro barre mantiene l'angolo della benna pressoché costante anche al variare dell'angolo del braccio di sollevamento. Questo sistema è adatto a lavori come il carico di un camion, dove sono richieste stabilità di assetto e visibilità in posizioni elevate. Si dice generalmente che sia inferiore al tipo a barra a Z in termini di forza di spinta, e i due sistemi vengono utilizzati in modo diverso a seconda dell'applicazione. Anche i documenti tecnici della Komatsu pubblicano ricerche sulla valutazione delle prestazioni delle macchine a collegamento parallelo.

In entrambi i tipi, la spinta del cilindro della benna F_{cyl}=\Delta p\,A_{cyl} viene convertita, tramite il sistema di collegamento, in coppia attorno all'asse di rotazione della benna. Poiché il braccio di leva r_m(\phi) varia con Angolo di collegamento \phi, la forza di strappo generata sulla punta della benna dipende sia dalla spinta del cilindro che dalla geometria del collegamento:

dove r_{edge} è la distanza dal centro di rotazione della benna al bordo tagliente. La "forza di strappo massima" di un catalogo è in genere un valore misurato vicino all'assetto della benna che massimizza questo rapporto, e la stessa forza non viene prodotta in ogni assetto durante il lavoro effettivo.

3. Forza di strappo e come leggere le specifiche

La forza di strappo è definita come la forza generata sul bordo tagliente quando viene applicato un carico, dalla benna interrata fino alla pressione di scarico del cilindro. La norma SAE J732 definisce in modo uniforme la terminologia delle specifiche delle pale caricatrici, fornendo un quadro comune per confrontare valori come la forza di strappo e la capacità della benna tra i diversi produttori. Tuttavia, poiché il significato di un valore cambia con le condizioni di misurazione (assetto della benna, angolo del braccio di sollevamento e quale (il cilindro è quello principale), è necessario verificare se i valori di catalogo siano stati misurati nelle stesse condizioni di prova prima di confrontarli.

Nelle specifiche pubbliche di Komatsu, la forza di strappo massima della benna del WA40-8 è indicata come 29,4–29,9 kN (3000–3050 kgf). Anche all'interno della stessa serie, la forza di strappo aumenta con le dimensioni della macchina, attraverso la combinazione di alesaggio del cilindro, pressione idraulica e rapporto di trasmissione.

4. Divisione dei ruoli tra escavatore idraulico e bulldozer

L'escavatore idraulico e il bulldozer, descritti altrove in questo sito, sono entrambi principalmente destinati a "tagliare e livellare il terreno". La pala gommata è ottimizzata in modo diverso: per "raccogliere terra, pietrisco o aggregati già presenti e caricarli su un mezzo di trasporto o in un cumulo".

Metodo di spostamento | Cingoli (con possibilità di rotazione/controrotazione) | Cingoli | Pneumatici, sterzo articolato |

Pressione al suolo | Bassa (cingoli) | Bassa (cingoli, adatti a carichi pesanti) | Alta (pneumatici, adatti alla circolazione su strada) |

Velocità di spostamento | Lenta | Lenta | Relativamente veloce (spostamenti tra cantieri/all'interno di un cantiere) |

Ideale per | Terreno naturale, pendii, scavi | Movimento terra di grandi volumi, livellamento | Caricamento di cumuli di terra, pietrisco, neve, ecc. |

La pala gommata sceglie i pneumatici perché spesso si muove autonomamente su strade pubbliche o terreni livellati all'interno del cantiere, è più veloce dei cingoli e le sue parti soggette ad usura sono più facili da sostituire. D'altra parte, è inferiore alle macchine cingolate in termini di trazione su terreni morbidi o accidentati e nella manovrabilità in spazi ristretti, come ad esempio una curva controrotante. In cantiere, si osserva una comune divisione del lavoro in cui un escavatore idraulico scava e Un operaio accumula terra e una pala gommata la carica su un autocarro ribaltabile.

5. La gamma di pale gommate attualmente in commercio

La potenza e la capacità della benna sono approssimativamente proporzionali, ma la forza di strappo è influenzata anche dal rapporto di trasmissione. e alesaggio del cilindro, la tendenza varia a seconda del produttore e del modello, anche all'interno della stessa classe di potenza. La scelta del modello deve valutare non solo la potenza e la capacità della benna, ma anche il tipo di attacco (a Z o a bracci paralleli) in relazione all'altezza di carico richiesta e alla visibilità in cantiere.

6. Riepilogo

Le prestazioni di una pala gommata non possono essere misurate solo in base alla potenza del motore e alla capacità della benna. La geometria dello sterzo articolato, che ripiega il corpo per una manovrabilità ridotta, e il rapporto con cui l'attacco converte la spinta del cilindro in forza sul tagliente, sono ciò che determina l'effettiva capacità operativa. La scelta tra attacco a Z e a bracci paralleli rappresenta un compromesso tra forza di scavo e stabilità di assetto/visibilità in quota, e la selezione di un modello tenendo conto della divisione dei ruoli con l'escavatore idraulico e il bulldozer è ciò che determina la produttività complessiva del cantiere.