Rotazione motorizzata e rotazione libera: due modalità operative che nessun'altra gru richiede.
A differenza di ogni altra applicazione di azionamento di rotazione, in cui l'azionamento ruota la struttura o la mantiene ferma, una gru a torre riduttore epicicloidale di rotazione Deve supportare una terza modalità: la rotazione libera (detta anche "effetto banderuola"). Quando la gru è fuori servizio, il freno di rotazione viene rilasciato e il braccio ruota liberamente sotto la pressione del vento, allineandosi sottovento come una banderuola per minimizzare il carico del vento sulla torre.
Il motore aziona il pignone contro la corona dentata di rotazione per far ruotare il braccio. Velocità: da 0 a 0,7 giri/min. Coppia: da 15.000 a 80.000 Nm all'uscita del pignone. L'operatore controlla la velocità in modo proporzionale tramite il joystick in cabina. Quando il motore è diseccitato, il freno di rotazione mantiene il braccio nella posizione corrente, contrastando carichi di vento da 30.000 a 80.000 N all'altezza del braccio.
Il freno di rotazione viene rilasciato e il braccio ruota liberamente sotto l'azione del vento. Il pignone rimane ingranato con la corona dentata ma non viene azionato: viene azionato in senso inverso dalla rotazione del braccio e il motore gira a ruota libera. Il sistema di rotazione deve avere un attrito sufficientemente basso nella direzione di rotazione inversa affinché il braccio possa ruotare liberamente con venti leggeri di 15-20 km/h: un requisito di attrito minimo che si contrappone all'elevata coppia di tenuta richiesta dalla modalità motorizzata.
La rotazione libera non è una semplice comodità, bensì un requisito di sopravvivenza strutturale. Il braccio di una gru a torre, a 200 metri di altezza, in presenza di un vento di tempesta a 100 km/h, subisce una forza laterale compresa tra 30.000 e 80.000 N. Se il braccio è bloccato perpendicolarmente al vento, questa forza agisce sull'intera area proiettata del braccio, generando un momento flettente che può superare la capacità portante della torre, con il rischio di un suo crollo. Se il braccio è libero di ruotare, si allinea sottovento, riducendo l'area proiettata alla sezione trasversale del braccio (da 5 a 10% dell'area laterale) e diminuendo il momento flettente di 90-95%.
Il sistema di rotazione deve quindi soddisfare due requisiti contraddittori: un elevato attrito per la rotazione motorizzata (per mantenere il braccio in posizione contro i carichi del vento in modalità di lavoro) e un basso attrito per la rotazione libera (per consentire al braccio di ruotare in presenza di vento leggero). La soluzione ingegneristica consiste in un freno a due stadi: un freno di servizio azionato da una molla che fornisce un'elevata coppia di tenuta durante il funzionamento motorizzato e un meccanismo di sblocco meccanico che disinnesta completamente il freno per la modalità di rotazione libera. Il riduttore epicicloidale stesso deve avere una coppia a vuoto sufficientemente bassa (inferiore a 2-3% della coppia nominale) in modo che l'attrito di ritorno non impedisca la rotazione del braccio in presenza di vento moderato.
Il passaggio tra rotazione motorizzata e rotazione libera è gestito dal sistema di controllo della gru, ma la progettazione meccanica del sistema di rotazione determina se la transizione è graduale o brusca. Quando l'operatore aziona il freno di rotazione dopo il posizionamento, il freno deve innestarsi progressivamente: un innesto improvviso del freno a una velocità di rotazione di 0,5 giri/minuto genera uno shock di decelerazione che può alterare la frequenza naturale del braccio e causare l'oscillazione del carico sospeso. Al contrario, quando l'operatore rilascia il freno per la rotazione libera, il rilascio deve essere sufficientemente graduale da impedire che il braccio si muova bruscamente nella direzione del vento prevalente. Le caratteristiche di innesto e rilascio del freno sono quindi parte integrante delle specifiche del sistema di rotazione, non solo la capacità di coppia di tenuta.
L'attrito dei cuscinetti di rotazione libera influisce anche sul livello di rumore notturno. Nelle aree urbane, le gru a torre che ruotano liberamente di notte possono generare un ticchettio metallico ritmico dovuto allo sfregamento dei denti del pignone contro quelli della corona dentata, causato dalla rotazione indotta dal vento. Questo rumore, pur essendo strutturalmente innocuo, può generare lamentele da parte dei residenti degli edifici adiacenti; per questo motivo, in alcuni cantieri urbani si specificano ora riduttori di rotazione con rivestimenti antirumore per i pignoni (pignoni con denti in nylon o segmenti di corona dentata rivestiti in polimero) per la rotazione libera notturna nelle zone residenziali.
Inerzia del braccio e coppia del vento: i due carichi che dimensionano il sistema di rotazione.
Il sistema di rotazione della gru a torre deve superare due carichi simultanei: l'inerzia del braccio (che accelera il braccio, il controbraccio, il carrello e il carico da fermo alla velocità di lavoro) e il momento generato dal vento (che fa ruotare il braccio controvento o lateralmente). Nelle giornate calme, prevale l'inerzia. Nelle giornate ventose, prevale il vento. Il sistema di azionamento deve essere dimensionato per la combinazione di carichi più gravosa.
| Classe di gru | Braccio (m) | Carico in punta (t) | Inerzia (kg·m2) | Coppia |
|---|---|---|---|---|
| Tetto piatto (40–55 m) | 40 – 55 | 1,5 – 2,5 | 200.000 – 500.000 | 15k – 30k Nm |
| Squalo martello (55–75 m) | 55 – 75 | 2.0 – 4.0 | 600.000 – 1,5 milioni | 30k – 55k Nm |
| Sollevamento di carichi pesanti (60–85 m) | 60 – 85 | 3.0 – 6.0 | 1,5 m – 4 m | 50k – 120k Nm |
Il carico del vento in quota non è lo stesso di quello a livello del suolo: La velocità del vento aumenta con l'altezza: a 200 metri, la velocità del vento è in genere da 1,5 a 2 volte superiore a quella al livello del suolo. La forza del vento è proporzionale al quadrato della velocità, quindi il braccio a 200 metri è soggetto a una forza del vento da 2,25 a 4 volte superiore rispetto allo stesso braccio al livello del suolo. I sistemi di rotazione delle gru a torre devono essere dimensionati per la velocità del vento all'altezza operativa effettiva, non per la velocità al livello del suolo rilevata dalle stazioni meteorologiche.
Il calcolo della coppia generata dal vento è più complesso di una semplice forza di resistenza moltiplicata per il raggio. Il braccio è una massa distribuita: ogni sezione contribuisce con una diversa forza di resistenza a un raggio diverso dal centro di rotazione. Il controbraccio (dietro la torre) compensa parzialmente la coppia generata dal vento sul braccio principale quando il vento soffia da davanti, ma la aumenta quando il vento soffia da dietro. La posizione del carrello lungo il braccio modifica dinamicamente il braccio di leva del vento durante il funzionamento. Inoltre, il carico sospeso agisce come un pendolo che aggiunge una componente dinamica variabile nel tempo alla coppia generata dal vento durante il periodo di oscillazione del carico (tipicamente da 3 a 8 secondi per funi di sollevamento da 20 a 50 metri).
Il sistema di rotazione deve essere dimensionato per la massima combinazione di vento, inerzia e pendolo, non per un singolo componente. Questo caso di carico combinato è in genere da 1,3 a 1,5 volte la coppia dovuta al solo vento e da 1,5 a 2 volte la coppia dovuta alla sola inerzia. Il fattore di sicurezza applicato al caso combinato è in genere da 1,25 a 1,5 (inferiore rispetto a quello delle gru che non dispongono della protezione con indicatore di momento di carico presente nelle gru a torre).
È importante sottolineare che l'indicatore di momento di carico (LMI) di una gru a torre monitora continuamente il carico e il raggio del gancio e può limitare automaticamente la velocità di rotazione quando la gru opera in prossimità della sua capacità nominale. Questa limitazione di velocità, gestita dall'LMI, riduce il picco di coppia inerziale durante i sollevamenti di carichi elevati, limitando l'accelerazione angolare massima. Il sistema di rotazione deve rispondere a questi comandi di limitazione della velocità variabile con un'erogazione di coppia proporzionale e fluida: qualsiasi irregolarità o zona morta nella risposta del sistema a bassi input del joystick rende il funzionamento a velocità ridotta scattoso e riduce la fiducia dell'operatore nella capacità di posizionamento di precisione.
Anticollisione e zonizzazione: come il sistema di rotazione si interfaccia con il sistema di sicurezza del cantiere.
Nei cantieri con più gru, due o più gru a torre possono avere raggi di lavoro sovrapposti, il che significa che i loro bracci possono potenzialmente entrare in collisione durante la rotazione. I sistemi anticollisione (ACS) monitorano la posizione di ogni braccio della gru in cantiere e limitano automaticamente il raggio di rotazione per evitare il contatto. Il sistema di rotazione deve interfacciarsi con l'ACS tramite un encoder di posizione angolare e deve rispondere ai comandi automatici di arresto della rotazione entro 1-2 secondi.
Il sistema ACS richiede dati continui sulla posizione angolare, in genere provenienti da un encoder assoluto a 12-16 bit montato sull'uscita dell'azionamento o sulla corona dentata di rotazione. L'encoder deve essere meccanicamente robusto (resistente alle vibrazioni del cantiere, alla temperatura e all'umidità) ed elettricamente compatibile con il controllore ACS. L'azionamento di rotazione deve fornire un'interfaccia di montaggio dedicata per l'encoder sull'albero di uscita con accoppiamento a gioco zero.
Quando il sistema ACS rileva una potenziale collisione, comanda al sistema di rotazione di arrestarsi entro 2-5 gradi di movimento angolare: un arresto sufficientemente graduale da evitare carichi d'urto sulla torre, ma abbastanza rapido da impedire al braccio di entrare nella zona di esclusione. Ciò richiede un freno con caratteristiche di decelerazione controllata, non un arresto di emergenza brusco che genererebbe carichi dinamici superiori al limite di progetto della torre.
In alcuni cantieri è vietato ruotare la gru sopra le proprietà limitrofe (ospedali, ferrovie, strade pubbliche). Il sistema di rotazione e il sistema di controllo automatico della rotazione (ACS) devono imporre limiti angolari rigidi: il braccio non può fisicamente ruotare oltre il settore consentito. Ciò richiede limiti angolari configurabili via software con arresti di sicurezza hardware (encoder ridondanti o finecorsa meccanici).
L'encoder del sistema di controllo automatico della gru (ACS) rappresenta un singolo punto di guasto con conseguenze a livello di intero sito. Se l'encoder si guasta su una gru, l'ACS non è in grado di determinare la posizione del braccio di quella gru e deve quindi arrestare la gru interessata (soluzione sicura ma costosa: da 5.000 a 15.000 dollari al giorno per il tempo di inattività della gru) oppure consentire all'operatore di continuare senza protezione anticollisione (soluzione pericolosa e vietata nella maggior parte dei siti). In un sito con più gru, un guasto all'encoder su una gru può costringere all'arresto di tutte le gru che condividono la zona di sovrapposizione, poiché l'ACS non può verificare che il braccio della gru guasta non si trovi sulla traiettoria di collisione.
Per questo motivo, negli impianti con più gru a torre, si specificano sempre più spesso encoder ridondanti (due unità indipendenti collegate alla stessa uscita del motore di rotazione). Il costo di un secondo encoder (da 500 a 1.500 dollari) è irrisorio rispetto al costo giornaliero di fermo macchina di 2-4 gru in attesa della sostituzione dell'encoder, operazione che può richiedere dalle 24 alle 48 ore per essere reperita e installata in cima alla torre.
Tre modalità di guasto specifiche per i sistemi di rotazione delle gru a torre
Il freno di rotazione deve trattenere il braccio contrastando le sollecitazioni del vento durante il funzionamento. In caso di guasto del freno (usura delle pastiglie, affaticamento della molla, perdita idraulica), il braccio ruota in modo incontrollato sotto la pressione del vento con un carico sospeso, con conseguente rischio immediato di collisione e caduta del carico. Il freno deve essere a molla (di sicurezza, si attiva in caso di interruzione di corrente) con una coppia di tenuta sufficiente per la velocità massima del vento in esercizio (tipicamente 72 km/h). Il degrado della capacità del freno non è visibile dall'esterno e può essere rilevato solo mediante misurazioni periodiche della coppia di tenuta. Il test del freno viene eseguito mensilmente; qualsiasi prolungamento di tale intervallo aumenta il rischio di un degrado non rilevato al di sotto della capacità di tenuta minima. La procedura di prova è semplice: con il braccio posizionato perpendicolarmente alla direzione del vento prevalente (massima coppia del vento), l'operatore rilascia il motore e verifica che il freno mantenga il braccio fermo per almeno 60 secondi. Se durante questa prova di tenuta il braccio si sposta anche solo di 0,5 gradi, la capacità di frenatura è scesa al di sotto del livello richiesto e le pastiglie o le molle dei freni devono essere sostituite prima che la gru possa tornare in servizio.
Durante la rotazione libera, i denti della corona dentata scorrono sui denti del pignone a velocità variabili e incontrollate, senza il beneficio del film d'olio idrodinamico sul lato condotto. Questa condizione di contatto non motorizzato produce un attrito maggiore e un'usura superficiale più rapida rispetto alla rotazione motorizzata alla stessa velocità. Nel corso di mesi di rotazione libera accumulata (fine settimana, festività, periodi di tempesta), i denti del pignone subiscono migliaia di cicli di contatto in condizioni di lubrificazione limite. Le gru lasciate in rotazione libera per periodi prolungati senza rilubrificazione sviluppano un'usura dei denti da 2 a 3 volte superiore rispetto alla rotazione motorizzata: un dato che non era stato riconosciuto nelle specifiche iniziali e che ha portato alla sostituzione prematura del pignone su molte gru a torre soggette a frequenti rotazioni libere.
Il sistema di controllo automatico della gru (ACS) dipende da dati accurati sulla posizione angolare provenienti dall'encoder del motore di rotazione. Se l'encoder si guasta, non funziona correttamente o perde la calibrazione, l'ACS non è in grado di determinare la posizione del braccio e deve arrestare la gru interessata, e potenzialmente tutte le gru che condividono le zone di sovrapposizione. I guasti all'encoder possono essere causati da vibrazioni, infiltrazioni di umidità, danni ai cavi o interferenze elettromagnetiche provenienti dal motore di rotazione. Il costo di un singolo guasto all'encoder in un sito con 4 gru può raggiungere i 20.000-60.000 dollari al giorno in termini di tempo di inattività di tutte le gru interessate, superando di gran lunga il costo dell'encoder stesso (500-1.500 dollari).
Riduttore epicicloidale di rotazione per gru a torre: domande frequenti
L'azienda coreana Ever-Power fornisce riduttori epicicloidali per la rotazione delle gru a torre da 15.000 a 120.000 Nm con capacità di rotazione libera, freni integrati e predisposizione per encoder ACS.
Redattore: Cxm
