أسرع مصعد - مسابقة في التكنولوجيا العالية

كيف ساهمت سباقات السرعة والارتفاع في صناعات المصاعد والبناء في حل العديد من المشكلات وتحديد المبنى الذي يبلغ ارتفاعه ميلًا مسبقًا.

خلال العقدين الماضيين ، شهدنا اتجاهًا متزايدًا في تشييد المباني الشاهقة التي تخدمها مصاعد فائقة السرعة أو حتى فائقة السرعة. يتم تقديم لمحة عامة عن هذه المباني والمصاعد أولاً ، تليها مراجعة للتقنيات العالية المرتبطة بتنفيذ مثل هذه التركيبات. يبدو أنها منافسة مفتوحة بين مصنعي المصاعد لمحاولة ذروة التكنولوجيا.

لماذا ترتفع السرعة

على مدار القرن الماضي ، كان هناك اتجاه عالمي يميل الناس إلى الانتقال للعمل والعيش في المدن التي تستمر في النمو لتصبح مناطق حضرية حيث يوجد نواة حضرية واحدة أو أكثر ، وغالبًا ما تسمى منطقة (مناطق) الأعمال المركزية ) (اتفاقية التنوع البيولوجي). إن التوقيعات على هذه الاتفاقيات هي عدد سكان كثيف وعقارات مكلفة وأنظمة لوجستية جيدة ، ولكن دائمًا مع مشكلة الازدحام المروري الخطير خلال ساعات الذروة. نظرًا لأن منطقة الأعمال المركزية مكتظة بالناس ، فهي بالطبع مزدحمة بالمباني. الطريقة الوحيدة لزيادة عدد سكان منطقة الأعمال المركزية ، على الأقل خلال ساعات العمل ، هي بناء مباني شاهقة الارتفاع.

من الجدول 1 ، من الواضح أن هناك حاجة إلى مصاعد أسرع لخدمة هذه المباني ، حيث تسافر الوحدات مسافات أطول ، سواء من حيث النقل السريع (مع وجود محطتين) والمصاعد التي تخدم المنطقة. كمحترفين تقنيين ، نحتاج إلى أن نكون أكثر كميًا لفهم السبب. وبالتالي ، دعونا نعيد النظر في المعادلة الشهيرة لوقت الذهاب والإياب (RTT) لرحلة المصعد النموذجية خلال ذروة الصباح.^[1]

يسعى نظام التحكم الإشرافي الفعال للمصعد إلى تقليل وقت الإرسال والاستقبال (RTT) من أجل زيادة قدرة المناولة (HC) ، لأنها تتناسب عكسياً. في المعادلة ، تشير P إلى عدد الركاب داخل السيارة ، و t_p يشير إلى متوسط ​​الوقت الذي يستغرقه كل راكب للدخول إلى السيارة أو الخروج منها. يعتمد P على حجم السيارة ، والذي غالبًا ما يكون محدودًا بمساحة أرضية المبنى. ر_s يشير إلى وقت التوقف فيما يتعلق بكل طابق ، ويتألف من وقت الأداء (T) مطروحًا منه الوقت لعبور طابقين متجاورين تحت السرعة المقدرة (t_v). تشير H إلى أعلى قصة انعكاس للرحلة ذهابًا وإيابًا (فقط رقم إحصائي) ، والتي تزداد في القيمة جنبًا إلى جنب مع ارتفاع المبنى. S هو العدد المتوقع للتوقف أثناء الرحلة ذهابًا وإيابًا ، وهو أمر لا يمكن التحكم فيه ما لم يتم استدعاء التحكم في تخصيص مكالمة القاعة / الوجهة لتجميع الركاب إلى نفس الوجهة معًا لتقليل S. لذلك ، هناك طريقة فعالة واحدة لتقليل RTT هو جعل ر_v أصغر ، لأنه في المعادلة ، 2H أكبر بكثير من (S + 1). بحكم التعريف ، ر_v = د_f/ ت ، حيث د_f هي المسافة بين الطوابق ، و v هي السرعة المقدرة للمصعد. تشير قيمة v الأكبر (أي السرعة الأعلى) إلى انخفاض t_v.

لقد تم بالفعل تحطيم الأرقام القياسية للسرعة المذكورة في الجدول 2 من خلال تشييد برج شنغهاي (ELEVATOR WORLD، يوليو 2013). حيث تبلغ سرعة ثلاثة من المصاعد المائة والستة التي تخدم البرج 106 مترًا في الدقيقة أثناء الرحلة الصاعدة، ولكنها لا تتجاوز 1,080 مترًا في الدقيقة أثناء الرحلة الهابطة. بالإضافة إلى ذلك، تم تركيب بعض أسرع المصاعد ذات الطابقين في العالم، بسرعة مقدرة تبلغ 600 مترًا في الدقيقة هناك.

في 21 أبريل ، أعلنت شركة هيتاشي أنه سيتم تركيب أسرع مصاعد في العالم بسرعة 1,200 ميل في الدقيقة في مركز جوانزو المالي CTF الذي يبلغ ارتفاعه 530 مترًا (EW ، يونيو 2014). ستسافر هذه الوحدات على ارتفاع 440 مترًا من الطابق الأول إلى الطابق 95 في حوالي 43 ثانية. ومع ذلك ، فهم اثنان فقط من إجمالي 95 مصعدًا يخدمون المبنى بأكمله. يعد المبنى الشاهق دائمًا علامة بارزة في مدينة ضخمة ، بالإضافة إلى عرض كبير من قبل مالك المبنى ؛ بطبيعة الحال ، فإن تركيب مصاعد فائقة السرعة لمثل هذا المبنى هو أيضًا دليل على المستوى التكنولوجي للشركة المصنعة. يجب أن تراجع هذه المقالة التقنيات المطورة لتسهيل مثل هذه المصاعد فائقة السرعة أو فائقة السرعة.

حامل

مثل محرك السيارة ، المحرك الرئيسي للمصعد هو آلة الدفع / الجر. يتم تشغيل كل من المصاعد التي تبلغ طاقتها 1,010 ميغاواط في تايبيه 101 بواسطة محرك مغناطيسي دائم بقدرة 650 كيلوواط وآلة متزامنة (PMSM) مع مجموعتين من لفات الجزء الثابت ومحول / عاكس كبير السعة ، والذي يمكن أن يتحمل أقصى حمل للعمود يبلغ 77 ت. [5] آلة الدفع / الجر التي سيتم تركيبها للمصعد 1,200 ميل في الدقيقة يخدم مركز جوانزو المالي CTF هي أيضًا من النوع PMSM. آلات الجر التقليدية هي من النوع الحثي ، ولكن بالنسبة للمصاعد فائقة السرعة ، يجب استبدال اللفات ذات القفص السنجابي الخامل داخل الدوار بمغناطيس دائم مثبت على السطح ، في حين أن لفات الجزء الثابت تشبه أكثر من ثلاثة - مرحلة المحرك التعريفي. في هذه الحالة ، يكون المجال المغناطيسي المرتبط بالدوار جوهريًا ؛ لا يتم إنتاجه بواسطة المجال المغناطيسي للجزء الثابت ، وبالتالي ، يكون له كفاءة أعلى بكثير بسبب فقدان النحاس الأقل في الدوار وقوة المجال المغناطيسي المعززة من الدوار. لذلك ، فإن عزمها أكبر من ذلك بكثير. والأهم من ذلك ، أن كلاً من نسب القدرة إلى الوزن وعزم الدوران إلى التيار تزداد بشكل كبير ، مما يجعل محركات PMSM مناسبة لمثل هذه التطبيقات. أيضًا ، يمكن أن تعمل محركات PMSM على نطاق سرعة أوسع مع عزم دوران ثابت ، وهو أمر تتطلبه المصاعد. يرجع سبب الحاجة إلى محرك فائق القوة لمصعد فائق السرعة إلى المعادلات المبسطة التالية:

هنا ، J هي لحظة القصور الذاتي في دفع النظام بأكمله ؛ ω هي سرعة دوران الدوار بوحدة راديان / ثانية ، والتي تتناسب مع سرعة السيارة ؛ تي_D هو عزم القيادة الذي يوفره الجزء الثابت ؛ تي_L هو عزم الحمل ، والذي يتضمن المقاومة الديناميكية الهوائية ؛ و P هي القدرة المشتتة لقيادة الدوار ، والتي تكاد تكون مكافئة للطاقة التي يستهلكها المحرك ككل. أثناء العملية ، T_D يكاد يكون ثابتا لذلك ، P يتناسب مع ω. وبالتالي ، في ظل التسارع ، كلما زادت سرعة السيارة ، زاد استهلاك المحرك للطاقة. في ظل عملية السرعة المقدرة ، تكون الطاقة المستهلكة أقل بكثير ، لأن T._D يساوي فقط T_L، على الرغم من أن P لا تزال تعتمد على السرعة.

الديناميكا الهوائية وشكل السيارة

على غرار القطارات التي تتحرك بسرعات عالية في الأنفاق ، يجب معالجة نفس المشكلة مع الديناميكا الهوائية في هندسة المصاعد ، ولكن المشكلة في بعض الأحيان تكون أكثر خطورة بسبب النسبة الأصغر نسبيًا من منطقة الرافعة إلى مساحة السيارة. يجب تخفيف الضوضاء الديناميكية الهوائية والاهتزاز المفرط (لا سيما ضمن النطاق الحساس للإنسان من 1-80 هرتز) بسبب قوة السحب التي تمارس على السيارة الصاعدة فائقة السرعة. في أوائل التسعينيات ، أجرى فريقان بحثيان يابانيان أعمالًا تجريبية أولية لتحديد أفضل شكل للسيارة. [1990 و 4] قاموا بدراسة الضوضاء الميكانيكية الناتجة عند التلامس بين السيارة وقضبان التوجيه ، وكذلك بسبب تدفق الهواء حول السيارة. السيارة داخل عمود ضيق. وجد أن الضوضاء الديناميكية الهوائية أصبحت أكبر بما يتناسب مع القوة الخامسة إلى السادسة من السرعة الجوية حول السيارة ؛ وبالتالي ، كلما زادت سرعة السيارة ، ارتفع مستوى الضوضاء. كانوا يستخدمون نهج نفق الرياح ، حيث كانت السيارة متوقفة في الهواء المتحرك.

أجرى مؤلفك وشركاؤك في البحث سلسلة من المحاكاة الحقيقية للسيارات المتحركة باستخدام أربعة طرازات أسطوانية للسيارات بأشكال مختلفة من القمم والقيعان (مسطحة وكروية ومخروطية ومكافئة) تتحرك في عمود أسطواني يبلغ ارتفاعه حوالي 10 أمتار وبسرعات تصل إلى 780 ميل في الدقيقة (شكل 1). تم اختبار نسبتي كتلة (مساحة المقطع العرضي للسيارة إلى نسبة مساحة العمود) ونسب الفتح المختلفة (منطقة الفتحات عند طرفي المحور إلى نسبة مساحة العمود).^[7] نظام قياس سرعة صورة الجسيمات الرقمية (DPIV) وتقدير الضغط ، وهي تقنية قياس ضوئي مستوية تقيس سرعة الجسيمات المصنفة في الهواء (حوالي 1-50 ميكرون في الحجم) على مستوى باستخدام كاميرا جهاز مقترن بالشحن. المعتمدة (الشكل 2). تم قياس ضغط الهواء وتوزيع السرعة أمام السيارة ، واستبعدت النتيجة التصاميم المسطحة والسفلية لمثل هذه العملية فائقة السرعة. أولوية الإحسان هي القطع المكافئ ، تليها كروية ومخروطية. سقف وقاع الكبسولة الهوائية المستخدمة في تايبيه 101 هو أيضًا شكل مكافئ جزئيًا ،^[5] لكن يجب أن تكون السيارة مستطيلة لتناسب العمود المستطيل.

إلى جانب الاعتبارات الخارجية ، فإن الضغط الجوي والتحكم في الضوضاء داخل السيارة لهما أهمية قصوى لراحة الركاب. يوجد فرق ضغط جوي قدره 48 hPa بين مستوى الأرض والطابق 89 في تايبيه 101. السيارة محكمة الإغلاق ، ويتم سد جميع الفجوات بمقياس ضغط جوي داخل السيارة تحت تحكم مستمر بواسطة منفاخ. [6] أثناء رحلة صعودًا ، يقتصر تغيير الضغط داخل السيارة على 1.26 hPa / s. مع التحكم في الغلاف الجوي ، مقابل 2 hPa / s بدونها. يؤدي التغيير السريع في الضغط أثناء رحلة المصعد عالي السرعة إلى إزعاج الركاب من حيث انسداد الأذن وكتم الصوت. تم تطوير طريقة لقياس إزاحة وحركة غشاء طبلة الركاب باستخدام طريقة التظليل من الشكل. استنتج أن طبلة الأذن عادة ما تنتفخ إلى الداخل أثناء النزول ، ويبلغ حد متوسط ​​إزاحة طبلة الأذن حوالي 2 مم عندما يصبح الإحساس بانسداد الأذن في أسوأ حالاته. أخيرًا ، لا يزال هناك صوت هسهسة بسبب تدفق الهواء أو المنفاخ تحت سرعة عالية حول السيارة ينتقل إلى الداخل عبر قناة التهوية. يلزم إلغاء الضوضاء للحفاظ على هدوء السيارة.

الاهتزاز الميكانيكي

هناك نوعان من الاهتزاز الميكانيكي: الرأسي والأفقي. عادة ما يكون الاهتزاز الرأسي للمصعد ناتجًا عن الاهتزاز الجانبي والحركة المرنة أثناء تسارع وتباطؤ حبال الرفع. [5] تم إدخال نظام مؤازر وقاطع تموج لمواجهة الاهتزاز بسبب مرونة الحبل ومكونات التموج لعزم دوران المحرك. يمكن أن يؤدي تركيب المثبطات ضد انحراف الحبل وآلية تقليل سرعة السيارة أثناء تأرجح البناء إلى تحسين الاهتزاز بسبب الحركة الجانبية لحبال الرفع. إلى جانب حبال الرفع ، فإن اهتزاز الحبال التعويضية يمثل أيضًا مصدر قلق لتطبيقات المصاعد فائقة السرعة ، لأن تأثير التردد المنخفض لهيكل المبنى يمكن أن يثير الحبال التعويضية. يصبح الخطر مرتفعًا عندما يكون هناك صدى بين التردد الطبيعي للحبال التعويضية والمبنى أثناء الزلزال أو الطقس العاصف ، مما يؤدي إلى نزوح كبير للحبال ، لأن الحبال التعويضية عادة ما تتعرض لتوترات منخفضة وغالبًا ما تعاني من توتر كبير - السعة والاهتزازات منخفضة التردد. تزداد الترددات الطبيعية لهذه الحبال مع تناقص الطول.^[3] تم اقتراح حلين غير كاملين: زيادة وزن مجموعة البكرة التعويضية وزيادة سرعة سيارة المصعد.

يرجع الاهتزاز الأفقي للمصعد إلى الانحناءات الصغيرة والمنحنيات والنتوءات على قضبان التوجيه. للتعويض عن ذلك ، تم تطوير مثبط كتلة نشط (AMD) يشتمل على مستشعر تسريع لمراقبة الاهتزاز الأفقي ووزن متحرك مدفوع بمحرك خطي.^[6] غالبًا ما يتم تثبيت مخمدات الكتلة المضبوطة (الماصات التوافقية) على قمم ناطحات السحاب ، والتي تم إعدادها لتحرك لمقاومة اهتزازات هيكل المبنى بسبب الرياح والزلازل عن طريق الينابيع أو المكونات الهيدروليكية أو البندولات. واحد يخدم تايبيه 101 في الطابق 87/88 ، على الرغم من أنه من غير المألوف أن يتم تطبيق مثل هذا المخمد على سيارة المصعد. من خلال تشغيل AMD ، يمكن تقليل الاهتزاز الجانبي بمقدار 2-3 سم / ثانية.². وقد قلت ذلك، the source من الاهتزاز الجانبي الذي يجب الاهتمام به ، وهذا يتضمن نوعًا جديدًا من دليل الأسطوانة بحيث يتم امتصاص القوة العامة من سكة التوجيه بالكامل بواسطة نوابض ناعمة متصلة ببكرات ، بينما يتم امتصاص القوة الدافعة بوزن متوازن لتقليل الاهتزاز بنسبة 25٪ عند 10 هرتز و 65٪ عند 30 هرتز.

أجهزة السلامة

نظام الكبح في حالات الطوارئ للمصعد هو جهاز السلامة رقم واحد. عندما يتم فرملة فجأة لسيارة حمولة كاملة في حركة هبوطية بسرعة أعلى بنسبة 15٪ من السيارة المصنفة ، فإن معدات الأمان تحتاج إلى امتصاص كل الطاقة الحركية الأولية اللحظية (0.5 مللي فولت)²) للنظام الميكانيكي بأكمله ، بالإضافة إلى إطلاق المزيد من الطاقة الكامنة على طول مسافة التوقف. يتم تبديد هذه الطاقة عند أحذية الأمان الخاصة بمعدات الأمان. بالنسبة لجهاز الأمان في تايبيه 101 ، تبلغ سرعة التشغيل المصممة 1,275،22.7 ميل في الدقيقة مع أقصى وزن قابل للتطبيق يبلغ 13.7 طنًا ، بينما تبلغ طاقة الكبح القصوى 1,000 ميجا جول. يمكن أن تصل درجة حرارة سطح الحذاء إلى XNUMX درجة مئوية ، مما يتطلب خصائص مقاومة للحرارة والتآكل.^[5] في الوقت نفسه ، سيتم اعتماد نوع جديد من الضبط ، حيث يتم تثبيت كرات الطيران خفيفة الوزن مباشرة داخل حزمة القيادة بحيث يتم تدويرها معًا لاكتشاف حالة السرعة الزائدة.

فيما يتعلق بمخازن الزيت ، وفقًا للمعيار الدولي ، يجب أن يكون الحد الأدنى للشوط المحتمل مساويًا على الأقل لمضاعفة مسافة إيقاف الجاذبية ، والتي تقابل 115٪ من السرعة المقدرة (أي 0.135 فولت²، حيث تقاس v بوحدة mps). ومن ثم ، يجب أن تكون ضربة الحاجز التقليدي للمصعد فائق السرعة في تايبيه 101 0.135 (1.15 * 600/60)² = 18 م ، لأن سرعة التحرك لأسفل تنخفض إلى 600 ميل في الدقيقة. بدلاً من حفر حفرة عميقة ، يتم استخدام مخزن زيت تلسكوبي ثلاثي المراحل بحيث يمكن تقليل الطول الإجمالي بنسبة 40٪ (بناءً على تصميم أقصى سرعة تصادم تبلغ 679 ميلًا في الدقيقة وكتلة قصوى قابلة للتطبيق تبلغ 11.4 طنًا). بعد ذلك ، يتم تحقيق طول إجمالي يبلغ 10 أمتار بضربة 6 أمتار.

خاتمة

في هذه اللحظة ، من الصعب توقع الحد الأقصى للسرعة في المستقبل. ومع ذلك ، دعونا نعود إلى اقتراح فرانك لويد رايت لعام 1956 فيما يتعلق ببناء مبنى بارتفاع 1 ميل ، إلينوي ، بارتفاع 1,609،1.2 م. لنفترض أن معدل تسارع / تباطؤ يبلغ 2 م / ث ، مريح ومقبول للركاب العاديين ، يستخدم للمصعد الذي يخدم هذا المبنى وأقصر وقت للسفر ، من الأرض إلى السطح ، هو المطلوب. تبلغ السرعة القصوى التي تم بلوغها في الطابق الأوسط ، 805 مترًا فوق سطح الأرض ، 44 ميجا في الثانية ، ويبلغ إجمالي وقت السفر 73 ثانية. استنادًا إلى بيانات من مجلس المباني الشاهقة والمساكن الحضرية (CTBUH) ، من المحتمل أن يتم الانتهاء من برج المملكة في جدة ، المملكة العربية السعودية ، في عام 2019 بارتفاع 1,000 متر ، في حين أن الرقم القياسي العالمي لارتفاع المباني في عام 2000 كان أقل من 500 م. بعبارة أخرى ، سيكون الرقم القياسي العالمي قد تضاعف في غضون 20 عامًا. لا يمكننا استبعاد احتمال تحقيق المبنى الذي يبلغ ارتفاعه ميلًا بالقرب من عام 2030. بحلول ذلك الوقت ، لا مفر من حدوث ثورة في سجل سرعة المصعد.

مراجع حسابات
[1] Barney، GC and Dos Santos، SM Elevator Traffic Analysis، Design and Control، Peregrinus نيابة عن IEE ، لندن ، 1985.
[2] فوناي ، ك. هاياشي ، واي. كويزومي ، ت. and Tsujiuchi، N. "تحليل سلوك الغشاء الطبلي وعدم الراحة في ضغط الأذن للمصاعد فائقة السرعة ،" EW ، أبريل 2006.
[3] Kaczmarczyk ، S. "الاستجابة الديناميكية لحبال تعويض المصاعد في المباني الشاهقة ،" EW ، يوليو 2009.
[4] ماتسوكورا ، واي. واتانابي ، إي. سوجياما ، واي. and Kanamori، O. "تقنيات ميكانيكية جديدة للمصاعد فائقة السرعة" ، Elevator Technology 4 ، Proceedings of ELEVCON، IAEE ، 1992.
[5] موناكاتا ، ت. كوهارا ، هـ. تاكاي ، ك. سيكيموتو ، واي. أوتسوبو ، ر. و ناكاجاكي ، س. "أسرع مصعد في العالم" ، إي دبليو ، سبتمبر 2003.
[6] ناكاجاوا ، ت. ناكامورا ، م. ماتسو ، إس. and Togashi، N. "فحص 1010 م / دقيقة للمصاعد في تايبيه 101 المبنى بعد 7 سنوات من بدء التشغيل ،" Elevator Technology 19 ، Proceedings of ELEVCON، IAEE ، 2012.
[7] شين ، جي إكس ؛ لذا ، أ. and Bai، HL "Research Works on Super-High-Speed ​​Lifts،" EW ، أبريل 2004.
[8] تيشيما ، إن. مياساكو ، ك. وماتسودا ، هـ. "دراسات تجريبية ورقمية حول المصعد فائق السرعة ،" تكنولوجيا المصاعد 4 ، وقائع ELEVCON، IAEE ، 1992.