Sviluppo di un sistema di prova atto a verificare l’attitudine all’impiego su macchine agricole di lubrificanti e fluidi idraulici a base biologica.
Author(s)
Pochi, Daniele
Date Issued
February 15, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
I lubrificanti (compresi i fluidi idraulici) rappresentano materiali fondamentali nello svolgimento di molteplici attività produttive. La domanda annua mondiale ammontava, nel 2020 a 37 milioni di tonnellate con trend ascendente. Secondo le stime, fra il 30 e il 50% di tale quantità viene disperso in ambiente a seguito di perdite, rotture, consumo “a perdere”. Globalmente, oltre il 95% dei lubrificanti deriva dal petrolio, contribuendo ad elevare il livello generale di dipendenza da fonti fossili. La conseguente limitata biodegradabilità di tali prodotti, costituisce anche un fattore di rischio per l’integrità degli ecosistemi terrestre ed acquatico. Per ridurre la dipendenza dal petrolio e incrementare l’ecosostenibilità dell’uso dei lubrificanti, è in corso un processo per la progressiva sostituzione di quelli di origine fossile con prodotti a base di oli vegetali o, comunque, di origine biologica, specifici per le diverse applicazioni. La domanda globale di biolubrificanti, pari a 630.000 tonnellate nel 2015 (1.8% del totale) è in crescita e, secondo le previsioni, raggiungerà 1.115.000 tonnellate nel 2024.
Dal punto di vista tecnico, la sostituzione dei lubrificanti tradizionali con nuovi formulati deve garantire il mantenimento dei livelli di efficienza di macchine e impianti sempre più sofisticati. Alcune ottime proprietà tribologiche degli oli vegetali sono note da molto tempo, così come i loro limiti (es., la sensibilità ai processi ossidativi). Per utilizzarli si ricorre generalmente a pacchetti di additivi che ne ottimizzano le caratteristiche (stabilità ossidativa, viscosità, proprietà antiusura, ecc.) rendendoli stabili.
L'attitudine ad usi specifici dei formulati sperimentali deve essere verificata per garantirne l'efficienza e l'affidabilità, sia dal punto di vista delle prestazioni tecniche che dell'integrità dei sistemi in cui vengono utilizzati. Tali considerazioni valgono anche per le macchine agricole. Le tipologie di olio più utilizzate nelle macchine agricole sono i fluidi idraulici e gli UTTO (Universal Tractor Transmission Oil), questi ultimi adottati nella maggior parte dei trattori, che sono fra le macchine agricole più diffuse, versatili, complesse e costose. In tutti i casi, i test previsti per l’adozione di un nuovo lubrificante si basano su impianti e metodi tecnicamente ed economicamente molto impegnativi e richiedono molto tempo (800-1000h per gli UTTO; qualche migliaio di ore per gli idraulici). Dovendo valutare diversi biolubrificanti sperimentali è necessario adottare un approccio diverso che consenta di ottenere informazioni sull’attitudine dei fluidi in tempi relativamente brevi e di compararle con dei fluidi convenzionali di riferimento, attraverso cicli di prova ripetibili, evitando danni alle macchine. A tale scopo è stato realizzato un sistema di prova (banco prova e metodologia) per eseguire test in condizioni controllate, applicando cicli di lavoro su modeste quantità di olio, per ottenere elevati carichi specifici (kWh/dm3) ed abbreviare la durata del test. Il sistema si basa su una sezione idraulica e su una sezione trasmissione che possono operare separatamente (test di fluidi idraulici o lubrificanti per trasmissioni) o insieme (test di fluidi UTTO). Il fluido in prova è valutato in base all’andamento dei parametri di lavoro e all’evoluzione delle caratteristiche fisico-chimiche rilevata analizzando campioni di olio prelevati durante il test.
Le prove su diversi formulati sperimentali UTTO ed idraulici a base vegetale forniti da NOVAMONT S.p.A. nell’ambito di una collaborazione, hanno fornito risultati del tutto comparabili a quelli dei prodotti convenzionali di riferimento. I due più promettenti (un UTTO ed un fluido idraulico) sono attualmente utilizzati su due macchine per valutarne il comportamento nell’esecuzione di normali attività aziendali.
Parallelamente, alcuni test al banco prova su diversi oli vegetali “tal quali” addizionati solo con un antiossidante per uso alimentare, hanno fornito risultati molto incoraggianti circa la possibilità di utilizzare alcuni di essi come fluidi idraulici, dopo un opportuno approfondimento dell’aspetto “additivazione”.
E’ stata eseguita una sperimentazione sull’impiego di sensori in linea per il monitoraggio continuo delle caratteristiche dell’olio nel banco prova. I sensori ritenuti più affidabili sono stati utilizzati per realizzare un sistema che è stato applicato ad un trattore ed è attualmente in funzione per monitorare un biofluido UTTO.
Lubricants and hydraulic fluids are essential materials for carrying out multiple production activities. In 2020, the global annual demand for lubricants amounted to 37 million tons, with a growing trend. According to estimates, between 30 and 50% of this quantity is dispersed into the environment as a result of leaks, breakages, "disposable" use. Globally, over 95% of lubricants come from petroleum, helping to raise the general level of dependence on fossil sources. Moreover, the limited biodegradability of these products represents a risk factor for the integrity of the terrestrial and aquatic ecosystems. To reduce dependence on oil and increase the eco-sustainability of the use of lubricants, a process has been underway for several years aimed at the progressive replacement of conventional lubricants with new products based on vegetable oils or, in any case, of biological origin, specific for the different applications. The global demand for biolubricants, equal to 630,000 tons in 2015 (1.8% of the total) is constantly growing and, according to forecasts, will reach 1,115,000 tons in 2024.
From a technical point of view, the process of replacing traditional lubricants with new formulations must guarantee the maintenance of the efficiency levels of increasingly sophisticated machines and systems. Some excellent tribological properties of vegetable oils have been known for a long time, as well as their limitations (such as sensitivity to oxidative processes). In order to use them, additive packages are generally used to optimize their characteristics (oxidative stability, viscosity, anti-wear properties, etc.) and make them stable.
The aptitude for specific use of the experimental formulations must be verified to ensure their efficiency and reliability, from the point of view of both technical performance and integrity of the systems in which they are used. Such considerations also apply to agricultural machinery. The most used types of oil in agricultural machinery are hydraulic fluids and UTTO (Universal Tractor Transmission Oil), the latter used in most tractors, the most widespread, versatile, complex and expensive agricultural machinery. In all cases, the tests planned for the adoption of a new lubricant are based on technically and economically very demanding systems and methods and require a lot of time (800-1000h for UTTOs; several thousand hours for hydraulic fluids). To evaluate different experimental biolubricants, a different approach needed that allows to obtain information on fluids aptitude in a relatively short time and to compare to conventional reference fluids, through repeatable test cycles, avoiding damage to the machines. To this purpose, a test system (test bench and methodology) was created to perform tests under controlled conditions, applying work cycles on small oil volumes, to obtain high specific loads (kWh/dm3) and shorten the test duration. The system has a hydraulic section and a transmission section that can operate separately (for test on hydraulic fluid tests or transmission lubricants) or together (for UTTO tests). The fluid under test is evaluated basing on the progress of the working parameters and the evolution of the physical-chemical characteristics detected by analyzing oil samples taken during the test.
A series of tests, carried out on various UTTO and hydraulic plant-based experimental formulations, supplied by NOVAMONT S.p.A. as part of a collaboration, provided results that are completely comparable to those observed in tests on conventional reference products. The two most promising biofluids (a UTTO and a hydraulic fluid) are currently used in two machines to evaluate their behaviour in the execution of normal farm activities.
At the same time, other tests were made on various "as is" vegetable oils, added only with an antioxidant for food use and provided very encouraging results relating the possibility of using some of them as hydraulic fluids, after an appropriate study of the "additivation ".
Eventually, an study was carried out on the use of in-line sensors for continuous monitoring of oil characteristics the test bench. Sensors deemed most reliable were used to realize a system that has been installed on a tractor and is currently in operation to monitor the status of a UTTO biofluid.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment