Schnellster Aufzug – Ein Wettbewerb in Hochtechnologie

Wie die Geschwindigkeits- und Höhenrennen in der Aufzugs- und Bauindustrie zur Lösung vieler Probleme beigetragen und das kilometerhohe Gebäude vorbestimmt haben.

In den letzten zwei Jahrzehnten haben wir einen wachsenden Trend beim Bau von Ultrahochhäusern beobachtet, die von Super- oder sogar Ultra-High-Speed-Aufzügen bedient werden. Zunächst wird ein Überblick über diese Gebäude und Aufzüge gegeben, gefolgt von einem Überblick über die Hochtechnologien, die mit der Umsetzung solcher Anlagen verbunden sind. Es ist offenbar ein offener Wettbewerb zwischen Aufzugsherstellern, um den technologischen Höhepunkt zu erreichen.

Warum Geschwindigkeitserhöhungen

Im letzten Jahrhundert war es ein weltweiter Trend, dass Menschen zur Arbeit und zum Leben in Städte umziehen, die sich weiter zu Metropolen entwickeln, in denen es einen oder mehrere städtische Kerne gibt, die oft als zentrale Geschäftsviertel bezeichnet werden ) (CBD). Die Signaturen dieser CBDs sind dichte Bevölkerungen, kostspielige Immobilien und gute Logistiksysteme, aber immer mit dem Problem ernsthafter Verkehrsstaus während der Stoßzeiten. Da das CBD mit Menschen überfüllt ist, ist es natürlich auch mit Gebäuden überfüllt. Die einzige Möglichkeit, die Einwohnerzahl eines CBD zumindest während der Bürozeiten zu erhöhen, ist der Bau von Ultrahochhäusern.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass schnellere Aufzüge benötigt werden, um diese Gebäude zu bedienen, da die Einheiten längere Strecken zurücklegen, sowohl in Bezug auf Shuttle-Express (mit einigen Haltestellen) als auch auf Zonenaufzüge. Als technische Fachleute müssen wir etwas quantitativer sein, um den Grund zu verstehen. Lassen Sie uns daher die berühmte Gleichung der Round-Trip-Time (RTT) einer typischen Aufzugsfahrt während der morgendlichen Hochsaison noch einmal überdenken.^[1].

Ein effizientes Aufzugsüberwachungssystem strebt danach, die RTT zu reduzieren, um die Handhabungskapazität (HC) zu erhöhen, da sie umgekehrt proportional sind. In der Gleichung bezieht sich P auf die Anzahl der Passagiere im Wagen und t_p bezieht sich auf die durchschnittliche Zeit, die jeder Passagier zum Ein- oder Aussteigen in das Auto benötigt. P ist abhängig von der Kabinengröße, die sehr oft durch die Grundfläche des Gebäudes begrenzt wird. T_s bezieht sich auf die Haltezeit in Bezug auf jedes Stockwerk, bestehend aus der Aufführungszeit (T) minus der Zeit zum Durchfahren zweier benachbarter Stockwerke unter Nenngeschwindigkeit (t_v). H bezieht sich auf das höchste Umkehrgeschoss der Rundfahrt (nur eine statistische Zahl), das mit der Gebäudehöhe an Wert zunimmt. S ist die erwartete Anzahl von Haltestellen während der Hin- und Rückfahrt, die nicht kontrollierbar ist, es sei denn, die Hallen-/Zielrufzuweisungssteuerung wird aufgefordert, Passagiere zum selben Ziel zusammenzufassen, um S erheblich zu reduzieren. Daher ist eine effektive Möglichkeit zur Minimierung der RTT ist zu machen_v kleiner, denn in der Gleichung ist 2H viel größer als (S + 1). Per Definition ist t_v = D_f/v, wobei d_f der Abstand zwischen den Stockwerken ist und v die Nenngeschwindigkeit des Aufzugs ist. Ein größeres v (dh höhere Geschwindigkeit) impliziert ein niedrigeres t_v.

Die in Tabelle 2 aufgeführten Geschwindigkeitsrekorde wurden bereits beim Bau des Shanghai Tower gebrochen (ELEVATOR WORLD, Juli 2013). Drei der 106 Aufzüge des Turms haben eine Nenngeschwindigkeit von 1,080 m/min bei einer Aufwärtsfahrt, aber nur 600 m/min bei einer Abwärtsfahrt. Darüber hinaus wurden dort einige der schnellsten Doppeldeckeraufzüge der Welt mit einer Nenngeschwindigkeit von 600 m/min installiert.

Am 21. April gab Hitachi bekannt, dass im 1,200 m hohen Guangzhou CTF Finance Center die schnellsten Aufzüge der Welt mit einer Geschwindigkeit von 530 mpm installiert werden (EW, Juni 2014). Diese werden in ca. 440 s eine Schachthöhe von 95 m vom ersten bis zum 43. Obergeschoss zurücklegen. Sie sind jedoch nur zwei von insgesamt 95 Aufzügen, die das gesamte Gebäude bedienen. Ein Ultrahochhaus ist immer ein Wahrzeichen einer Megacity und eine große Show des Bauherrn; Die Installation von Ultra-High-Speed-Aufzügen für ein solches Gebäude ist natürlich auch ein Beweis für das Technologieniveau des Herstellers. In diesem Artikel werden Technologien vorgestellt, die entwickelt wurden, um solche Super- oder Ultra-High-Speed-Aufzüge zu ermöglichen.

Antrieb

Wie der Motor eines Automobils ist die Antriebsmaschine die Antriebsmaschine eines Aufzugs. Die 1,010-mpm-Aufzüge in Taipei 101 werden jeweils von einem 650-kW-Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) mit zwei Sätzen Statorwicklungen und einem Hochleistungs-Umrichter/Wechselrichter angetrieben, der eine maximale Wellenlast von . tragen kann 77 T.[5] Die Antriebs-/Traktionsmaschine, die für den 1,200-MPM-Aufzug für das Guangzhou CTF Finance Center installiert werden soll, ist ebenfalls vom Typ PMSM. Herkömmliche Traktionsmaschinen sind vom Induktionstyp, aber bei Ultra-High-Speed-Aufzügen müssen die passiven Kurzschlussläufer-Wicklungen im Rotor durch oberflächenmontierte Permanentmagnete ersetzt werden, während die Wicklungen des Stators eher einem Standard drei ähneln -Phasen-Induktionsmotor. In diesem Fall ist das dem Rotor zugeordnete Magnetfeld intrinsisch; es wird nicht durch das Statormagnetfeld erzeugt und hat daher aufgrund des geringeren Kupferverlusts am Rotor und einer erhöhten Magnetfeldstärke vom Rotor einen viel höheren Wirkungsgrad. Sein Drehmoment ist daher viel größer. Noch wichtiger ist, dass sowohl das Leistungsgewicht als auch das Drehmoment-Strom-Verhältnis deutlich erhöht werden, wodurch PMSM-Antriebe für solche Anwendungen geeignet sind. Außerdem können PMSM-Antriebe in einem breiteren Drehzahlbereich mit konstantem Drehmoment betrieben werden, was von Aufzügen erforderlich ist. Der Grund, warum ein superstarker Motor für einen Ultra-High-Speed-Aufzug benötigt wird, liegt an den folgenden vereinfachten Gleichungen:

Hier ist J das Trägheitsmoment des gesamten angetriebenen Systems; ω ist die Drehgeschwindigkeit des Rotors in der Einheit rad/s, die proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit ist; T_D das vom Stator bereitgestellte Antriebsdrehmoment ist; T_L ist das Lastdrehmoment, das den aerodynamischen Widerstand einschließt; und P ist die Verlustleistung, um den Rotor anzutreiben, was fast der vom Motor insgesamt verbrauchten Leistung entspricht. Während des Betriebs ist T_D ist fast konstant; daher ist P proportional zu ω. Somit ist beim Beschleunigen der Stromverbrauch des Motors umso höher, je schneller das Auto ist. Im Betrieb mit Nenndrehzahl ist die aufgenommene Leistung viel geringer, da T_D ist nur gleich T_L, obwohl P immer noch geschwindigkeitsabhängig ist.

Aerodynamik und Fahrzeugform

Ähnlich wie bei Hochgeschwindigkeitszügen in Tunneln muss auch in der Aufzugstechnik das gleiche Problem der Aerodynamik angegangen werden, das jedoch aufgrund des relativ geringeren Verhältnisses von Schachtfläche zu Kabinenfläche manchmal gravierender ist. Die aerodynamischen Geräusche und übermäßigen Vibrationen (insbesondere im für den Menschen sensiblen Bereich von 1-80 Hz) aufgrund der auf das ultraschnell aufsteigende Auto ausgeübten Widerstandskraft müssen gemildert werden. In den frühen 1990er Jahren führten zwei japanische Forscherteams experimentelle Vorarbeiten durch, um die beste Wagenform zu bestimmen.[4 & 8] Sie untersuchten die mechanischen Geräusche, die beim Kontakt zwischen Wagen und Führungsschienen entstehen, sowie durch die Luftströmung um das Fahrzeug herum Auto in einem engen Schacht. Es wurde festgestellt, dass das aerodynamische Geräusch proportional zur fünften bis sechsten Potenz der Fluggeschwindigkeit um das Auto herum größer wurde; je höher die Fahrzeuggeschwindigkeit, desto höher der Geräuschpegel. Sie nutzten einen Windkanal-Anflug, bei dem das Auto in bewegter Luft stand.

Ihr Autor und Ihre Forschungspartner führten eine Reihe von realen Simulationen von sich bewegenden Autos durch, die vier zylindrische Automodelle mit unterschiedlichen Ober- und Unterseiten (flach, kugelförmig, konisch und parabolisch) verwendeten, die sich in einem zylindrischen Schacht von etwa 10 m Höhe mit Geschwindigkeiten von bis zu 780 mpm . bewegten (Abbildung 1). Getestet wurden zwei Blockverhältnisse (Querschnittsfläche Kabine zu Schacht-Flächenverhältnis) und unterschiedliche Öffnungsverhältnisse (Öffnungsfläche an den beiden Enden des Schachts zu Schacht-Flächenverhältnis).^[7]. Das Digital Particle Image Velocimetry (DPIV) Velocimetry (DPIV) Velocity and Pressure Schätzsystem, bei dem es sich um eine planare optische Messtechnik handelt, die die Geschwindigkeit von geimpften Partikeln in Luft (etwa 1-50 Mikrometer groß) über einer Ebene unter Verwendung einer ladungsgekoppelten Gerätekamera misst angenommen (Abbildung 2). Der Luftdruck und die Geschwindigkeitsverteilung vor dem Auto wurden gemessen, und die Schlussfolgerung schloss flache Ober- und Unterkonstruktionen für einen solchen Ultrahochgeschwindigkeitsbetrieb aus. Die Priorität der Gunst ist parabolisch, gefolgt von kugelförmig und konisch. Das Dach und der Boden der aerodynamischen Kapsel, die in Taipei 101 verwendet wird, haben ebenfalls eine teilweise parabolische Form,^[5]. aber das Auto musste rechteckig sein, um in den rechteckigen Schacht zu passen.

Neben der äußeren Betrachtung sind Luftdruck und Lärmschutz im Fahrzeug von größter Bedeutung für den Fahrgastkomfort. Zwischen dem Erdgeschoss und dem 48. Stock von Taipei 89 herrscht ein atmosphärischer Druckunterschied von 101 hPa. Das Auto ist luftdicht, und alle Lücken werden mit einem Barometer im Auto unter ständiger Kontrolle durch ein Gebläse abgedichtet.[6] Bei einer Aufwärtsfahrt ist die Druckänderung im Fahrzeug auf 1.26 hPa/s begrenzt. mit atmosphärischer Kontrolle gegenüber 2 hPa/s ohne. Eine schnelle Druckänderung während einer Hochgeschwindigkeits-Aufzugfahrt bereitet den Passagieren Unbehagen in Bezug auf Ohrenblockierung und Geräuschdämpfung. Mit der Shape-from-Shading-Methode wurde eine Methode entwickelt, um die Verschiebung und Bewegung des Trommelfells von Passagieren zu messen.[2] Es wurde gefolgert, dass sich das Trommelfell beim Abstieg normalerweise nach innen wölbt und die Grenze der durchschnittlichen Verschiebung des Trommelfells ungefähr 2 mm beträgt, wenn das Gefühl eines blockierten Ohrs am schlimmsten wird. Schließlich gibt es noch ein zischendes Geräusch, das durch den Luftstrom oder das Gebläse bei hoher Geschwindigkeit um das Auto herum durch den Belüftungskanal in den Innenraum übertragen wird. Eine Geräuschunterdrückung ist erforderlich, um das Auto ruhig zu halten.

Mechanische Vibration

Es gibt zwei Arten von mechanischen Schwingungen: vertikale und horizontale. Vertikale Schwingungen des Aufzugs sind normalerweise auf seitliche Schwingungen und elastische Bewegungen während der Beschleunigung und Verzögerung der Hebeseile zurückzuführen.[5] Ein Servosystem und ein Welligkeitsunterdrücker wurden eingeführt, um den Schwingungen aufgrund der Seilelastizität und den Welligkeitskomponenten des Motordrehmoments entgegenzuwirken. Die Installation von Dämpfern gegen Seildurchbiegung und der Mechanismus zur Reduzierung der Fahrkorbgeschwindigkeit während der Gebäudeschwankung können die Vibrationen aufgrund der seitlichen Bewegung von Hebeseilen verbessern. Neben den Hubseilen sind auch die Schwingungen der Ausgleichsseile bei Ultrahochgeschwindigkeitsaufzügen ein Problem, da das niederfrequente Schwingen der Gebäudestruktur die Ausgleichsseile anregen kann. Die Gefahr wird groß, wenn bei Erdbeben oder Wind eine Resonanz zwischen der Eigenfrequenz von Ausgleichsseilen und der des Gebäudes auftritt, die zu großen Verschiebungen der Seile führt, da Ausgleichsseile normalerweise geringen Spannungen ausgesetzt sind und oft unter großen -Amplitude, niederfrequente Schwingungen. Die Eigenfrequenzen dieser Seile nehmen mit abnehmender Länge zu.^[3]. Zwei unvollkommene Lösungen wurden vorgeschlagen: eine Erhöhung des Gewichts der Ausgleichsscheibenanordnung und eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Aufzugskabine.

Die horizontale Vibration des Aufzugs ist auf winzige Biegungen, Kurven und Unebenheiten an den Führungsschienen zurückzuführen. Um dies zu kompensieren, wurde ein aktiver Massendämpfer (AMD) mit einem Beschleunigungssensor zur Überwachung der horizontalen Schwingung und einem beweglichen Gewicht, das von einem Linearmotor-Mover angetrieben wird, entwickelt.^[6]. An den Dächern von Hochhäusern werden häufig abgestimmte Massendämpfer (Harmonische Absorber) installiert, die mittels Federn, Hydraulik oder Pendeln in Bewegung gesetzt werden, um Schwingungen der Gebäudestruktur durch Wind und Erdbeben entgegenzuwirken. Einer bedient Taipei 101 im 87./88. Stockwerk, obwohl es eher ungewöhnlich ist, dass ein solcher Dämpfer an einer Aufzugskabine angebracht wird. Durch Einschalten der AMD konnte die seitliche Vibration um 2-3 cm/s reduziert werden.². Nachdem ich das gesagt habe, the source Seitenvibrationen müssen berücksichtigt werden, und dazu gehört eine neue Art von Rollenführung, bei der die allgemeine Kraft von der Führungsschiene vollständig von weichen Federn absorbiert wird, die an den Rollen befestigt sind, während die Impulskraft von einem ausgeglichenen Gewicht absorbiert wird, um die Vibration um 25 % bei 10 Hz und 65 % bei 30 Hz.

Sicherheitsausrüstungen

Das Notbremssystem eines Aufzugs ist seine Sicherheitseinrichtung Nummer eins. Wenn ein voll beladener Fahrkorb in Abwärtsbewegung mit einer Geschwindigkeit von 15% über der Nenngeschwindigkeit plötzlich abgebremst wird, muss die Fangvorrichtung die gesamte augenblickliche anfängliche kinetische Energie (0.5 mv²) des gesamten mechanischen Systems, plus weitere Freisetzung potentieller Energie entlang des Bremswegs. Diese Energie wird an den Sicherheitsschuhen der Fangvorrichtung abgeleitet. Für die Sicherheitsvorrichtung am Taipei 101 beträgt die ausgelegte Betriebsgeschwindigkeit 1,275 mpm bei einem maximal anwendbaren Gewicht von 22.7 T, während die maximale Bremsenergie 13.7 MJ beträgt. Die Oberflächentemperatur des Schuhs kann bis zu 1,000°C betragen, was besondere hitze- und verschleißfeste Eigenschaften erfordert.^[5]. Gleichzeitig soll ein neuartiger Begrenzer eingeführt werden, bei dem leichte Flyballs direkt in der Treibscheibe montiert sind und sich gemeinsam drehen, um eine Überdrehzahl-Situation zu erkennen.

Bei den Ölpuffern muss gemäß internationaler Norm der minimal mögliche Hub mindestens dem Doppelten des Schwerkraftbremswegs entsprechen, entsprechend 115 % der Nenngeschwindigkeit (dh 0.135 v², wobei v in mps gemessen wird). Daher sollte der Hub eines herkömmlichen Puffers für den Ultra-High-Speed-Aufzug in Taipei 101 0.135 (1.15 * 600/60) betragen.² = 18 m, da die Abwärtsfahrgeschwindigkeit auf 600 mpm reduziert wird. Anstatt eine tiefe Grube zu bohren, wird ein dreistufiger Teleskop-Ölpuffer verwendet, so dass die Gesamtlänge um 40% reduziert werden kann (basierend auf einer maximalen Crash-Geschwindigkeitsauslegung von 679 mpm und einer maximal anwendbaren Masse von 11.4 T). Dann wird eine Gesamtlänge von 10 m bei einem Hub von 6 m realisiert.

Fazit

Derzeit ist es schwierig, die endgültige Geschwindigkeitsbegrenzung für die Zukunft vorherzusagen. Kehren wir jedoch zu Frank Lloyd Wrights Vorschlag von 1956 zurück, ein 1 Meile hohes Gebäude, das Illinois, mit einer Höhe von 1,609 m zu errichten. Angenommen, für den Aufzug, der dieses Gebäude bedient, wird eine Beschleunigungs-/Verzögerungsrate von 1.2 mps2 verwendet, die für normale Passagiere angenehm und erträglich ist, und die kürzeste Fahrzeit vom Boden bis zum Dach ist erwünscht. Die im mittleren Stockwerk, 805 m über Grund, erreichte Höchstgeschwindigkeit würde 44 mps betragen, und die Gesamtfahrzeit würde 73 s betragen. Nach Angaben des Council on Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH) wird der Kingdom Tower in Jeddah, Saudi-Arabien, voraussichtlich 2019 mit einer Höhe von 1,000 m fertiggestellt, während der Weltrekord für Gebäudehöhen im Jahr 2000 bei weniger als lag 500m. Mit anderen Worten, der Weltrekord wird in 20 Jahren verdoppelt sein. Wir können nicht ausschließen, dass das kilometerhohe Gebäude gegen 2030 realisiert wird. Bis dahin ist eine Revolution des Aufzugsgeschwindigkeitsrekords unaufhaltsam.

Referenzen
[1] Barney, GC und Dos Santos, SM Elevator Traffic Analysis, Design and Control, Peregrinus im Auftrag von IEE, London, 1985.
[2] Funai, K.; Hayashi, Y.; Koizumi, T.; und Tsujiuchi, N. „Analysis of Tympanic Membrane Behavior and Ear Pressure Discomfort for Super High Speed ​​Elevators“, EW, April 2006.
[3] Kaczmarczyk, S. „Die dynamische Reaktion von Aufzugskompensationsseilen in Hochhäusern“, EW, Juli 2009.
[4] Matsukura, Y.; Watanabe, E.; Sugiyama, Y.; und Kanamori, O. „New Mechanical Techniques for Super-High-Speed ​​Elevators“, Elevator Technology 4, Proceedings of ELEVCON, IAEE, 1992.
[5] Munakata, T.; Kohara, H.; Takai, K.; Sekimoto, Y.; Ootsubo, R.; und Nakagaki, S. „Der schnellste Aufzug der Welt“, EW, September 2003.
[6] Nakagawa, T.; Nakamura, M.; Matsuo, S.; und Togashi, N. „The Inspection of 1010 m/min Elevators in Taipei 101 Building 7 Years after Starting Operation“, Elevator Technology 19, Proceedings of ELEVCON, IAEE, 2012.
[7] Shen, GX; Also, A.; und Bai, HL „Research Works on Super-High-Speed ​​Lifts“, EW, April 2004.
[8] Teshima, N.; Miyasako, K.; und Matsuda, H. „Experimental and Numerical Studies on Ultra-High-Speed ​​Elevator“, Elevator Technology 4, Proceedings of ELEVCON, IAEE, 1992.