Cuerdas y tracción

---

Introducción a los cables de elevación

Este artículo está extraído del libro de su autor, El elevador: de lo básico al cálculo, que analiza los elementos clave en los sistemas de ascensores, centrándose en los temas de control y accionamiento de motores, análisis de tráfico y cuerdas y tracción. Su objetivo es proporcionar una referencia rápida para profesionales experimentados y conocimientos básicos de sistemas de ascensores para aquellos que son nuevos en la industria …… .. Editor

Básicamente, existen dos tipos principales de elevadores en el mundo: de tracción (llamados "eléctricos" en los EE. UU.) E hidráulicos, a pesar de los tipos menores como transmisiones de tambor, transmisiones de motor lineal, transmisiones neumáticas (de vacío), etc. Más del 99% de los ascensores que operan en el mundo son del tipo de tracción, en particular, aquellos con una velocidad nominal de 1 m / s (200 pies / min) o más. Estos ascensores se basan en cables de elevación para ascender y descender. Además, el funcionamiento efectivo del último dispositivo de seguridad de un ascensor (es decir, regulador de velocidad y equipo de seguridad) depende en gran medida del cable del regulador, aunque un poco más delgado en comparación con el del polipasto o los cables de suspensión. Eso indica la importancia de las cuerdas en un sistema de ascensor. Sin embargo, el cable de izado también es un factor clave en los accidentes de ascensores.

El buen mantenimiento y la inspección de las cuerdas exigen un trabajo hábil que no es fácil de lograr por los profanos. Y no existe una expectativa de vida específica de los cables de elevación, aunque podemos realizar una estimación basada en el uso, el entorno y el mantenimiento. Aquí, vamos a ver diferentes tipos de sistemas de cables, tipos de cables de elevación y su estructura y mantenimiento de rutina. Muchos artículos sobre este tema se pueden encontrar en ELEVATOR WORLD, como: Wolf, E. y Franz, A., “Wire Rope – Rope Development for Elevators,” (marzo de 2006, p. 122-126); Rhiner, M. y Heling, K., "Comprensión del cable del elevador, el rendimiento, la resistencia y la longevidad" (abril de 2009, págs. 95-101); y Scheunemann, W., Vogel, W. y Barthel, T., "Steel Wire Ropes for Traction Elevators" partes uno (mayo de 2009, p. 87-92), dos (julio de 2009, p. 63-73) y tres (septiembre de 2009, págs. 95-112).

Tipos de sistemas de cuerdas

Hay muchos tipos de sistemas de cuerdas (Figura 1). Los tipos (a), (b), (c) y (e) son los más comunes. El tipo más popular que puede explicar el funcionamiento de un elevador de tracción típico es el tipo (a), generalmente para elevadores de alta velocidad. Los cables de elevación están conectados a una cabina de ascensor en un extremo y a un contrapeso en el otro extremo. Los cables se colocan sobre ranuras en la polea de transmisión, que es accionada por un motor a través de un freno con o sin caja de cambios. La fuerza de fricción entre las ranuras y las cuerdas impulsa las cuerdas hacia arriba y hacia abajo. El contrapeso generalmente se ajusta al peso del automóvil vacío, más la mitad de la capacidad de carga completa. En otras palabras, cuando el automóvil está medio cargado y en el medio del hueco del ascensor, todo el sistema se detiene, incluso si se suelta el freno. La polea de tipo (a) se denomina "polea desviadora" y se utiliza para mantener una distancia adecuada entre el automóvil y el contrapeso. De lo contrario, se golpearían fácilmente entre sí al moverse hacia arriba y hacia abajo a lo largo del eje.

El tipo (a) es una transmisión de una sola vuelta con un factor de cableado de 1. Generalmente se usa para elevadores de alta velocidad con una velocidad igual a la velocidad de rotación de la polea impulsora en rad / s multiplicada por el radio de la polea. La principal ventaja de un variador de envoltura simple es su funcionamiento a alta velocidad, pero la potencia del motor debe ser mayor, porque la potencia es igual a la multiplicación de la velocidad de rotación y el par. El par es la fuerza de torsión que tiende a provocar la rotación. En física, es igual a la fuerza aplicada, multiplicada por la distancia perpendicular entre la fuerza y ​​el eje de rotación. Para la misma potencia nominal, una mayor velocidad de rotación significa un par menor.

A menudo se utiliza un factor de cuerda de 2, como se muestra en el tipo (c), para aumentar la capacidad de elevación del sistema. Este tipo sigue siendo una unidad de una sola vuelta. Cuando está parado, el peso del automóvil y la carga es igual al doble de la tensión de todos los cables de izado. Pero, por supuesto, aquí hay que sacrificar algo, ya que la velocidad nominal de la cabina del ascensor también se reduce a la mitad. Los lectores pueden estar familiarizados con los conceptos de ventaja mecánica (MA) y relación de velocidad (VR) de las máquinas. MA se define como la relación entre la fuerza producida por una máquina y la fuerza que se le aplica. VR se define como la distancia recorrida por el esfuerzo aplicado a la máquina a la distancia recorrida por la carga. La eficiencia de la máquina, siempre por debajo de uno, es igual a MA dividido por VR. Cabe señalar que el par de torsión de la polea motriz se transmite a los cables de elevación a través de la fuerza de fricción, denominada "tracción", entre las ranuras y los cables. Para mejorar la tracción, a menudo se utilizan transmisiones de doble envoltura, como se muestra en el tipo (e). Todos estos tipos tienen la máquina eléctrica en posición elevada.

Si no es factible proporcionar una sala de máquinas por encima del piso superior (por ejemplo, debido a la falta de espacio sobre el piso superior), a veces se utilizan tipos con la máquina en la posición del sótano. Estos se ilustran como tipos (b), (f) y (h).

Estructura de un cable de acero estándar

Por lo general, los cables de elevación están hechos de acero. Una cuerda no es un objeto sólido; Consiste en hebras formadas por pequeños alambres de acero con un núcleo de fibra (natural o artificial) o acero (Figura 2). Esto se debe a que los cables deben doblarse alrededor de la superficie ranurada curva de la polea motriz y las poleas, ir en línea recta y doblarse repetidamente a altas velocidades. Eso significa que una cuerda sigue cambiando de forma durante el funcionamiento normal. Es imposible realizar esta tarea utilizando una pieza sólida.

Como se muestra en la Figura 3 (a), si la cuerda es un objeto sólido, se romperá al pasar sobre una polea. El uso de hebras es inevitable, dado que la cuerda tiene grosor, al pasar sobre una superficie curva, se debe extender su doblez exterior, mientras que el interior se acorta, al pasar sobre una polea. Esto es imposible si se adopta un haz de cables en paralelo.

Por lo tanto, como se muestra en la Figura 3 (b), la compensación de longitud debe manipularse para que la longitud total de cada pieza de alambre (o cada hebra) pueda permanecer sin cambios durante el doblado. Esto se hace utilizando una forma retorcida, en la que se permite que las hebras se muevan marginalmente en forma de espiral. De esta manera, durante el funcionamiento normal, cada trozo de alambre y cada hebra se frota contra otro. Los hilos se frotan entre sí en los valles y se frotan contra la ranura de la polea motriz en las coronas. Esto explica por qué la lubricación del cable es de suma importancia. La lubricación adecuada garantiza que los cables no se rompan al rozar entre sí o con las ranuras de la polea motriz, sin reducir la fricción entre los cables y las ranuras. Debido a esto, se debe utilizar un lubricante especial (según lo especificado por el fabricante del cable) durante el mantenimiento de rutina.

En los sistemas de ascensores, los hilos tendidos en paralelo se emplean a menudo cuando no se cruzan dos trozos de cable. La cantidad de hilos y alambres varía entre los diferentes tipos de cables. Por lo general, hay 19 piezas de cables en una hebra, organizados de dos formas principales: Seale y Warrington. Sus secciones transversales se muestran en la Figura 4, que también muestra que ambos tipos suelen tener tres capas de cables (es decir, 9 + 9 + 1 = 19 para Seale y 6 [capa externa] + 6 [capa externa] + 6 [capa interna ] + 1 = 19 para Warrington). Los 12 cables de la capa exterior del arreglo de Warrington son de dos tamaños diferentes. Eso es para que la cuerda parezca más circular. Otro arreglo, Warrington-Seale, tiene más cables en una hebra. Por lo general, hay seis torones por cable para el funcionamiento a baja velocidad y ocho torones por cable para el funcionamiento a alta velocidad.

Hay cuerdas para diestros y zurdos. Las cuerdas de los elevadores suelen estar colocadas para diestros (Figura 5), ​​por lo que las hebras, cuando se mueven a lo largo de la cuerda, como las ve el portador en un extremo, giran en el sentido de las agujas del reloj. Además, hay dos tipos de laicos: laicos ordinarios (o regulares) versus los laicos de Lang. Este último tiene una dirección de tendido diferente para los hilos exteriores del cable de los alambres en los hilos exteriores (en comparación con la del tendido ordinario, como se muestra en la Figura 5). Por lo tanto, en cuerdas de tendido regular, los alambres exteriores visibles siguen la dirección aproximada del eje de la cuerda. En las cuerdas tendidas por Lang, los alambres exteriores visibles están inclinados en un ángulo pronunciado con respecto al eje de la cuerda. Las cuerdas de los elevadores suelen ser de un tendido ordinario. Es más fácil montar cuerdas de tendido ordinario, que solo tienen una ligera tendencia a desenroscarse cuando se cuelgan libremente en el hueco del ascensor. Su alargamiento elástico es menor que el de las cuerdas de Lang.

Las seis u ocho hebras de cables están sostenidas, o espaciadas hacia afuera, por el núcleo de la cuerda (Figura 6). Esta es una función principal del núcleo: sin él, los hilos no se pueden espaciar adecuadamente para formar una cuerda relativamente redonda. Otra función principal del núcleo es que actúa como un depósito de almacenamiento de lubricante.

Los núcleos de fibra natural suelen estar hechos de sisal o cáñamo, que tiene un buen poder de absorción de lubricante y un bajo alargamiento elástico longitudinal. Sin embargo, la fibra natural es sensible a la alta humedad del aire y se pudre fácilmente cuando se expone a la humedad. Por lo tanto, las cuerdas con núcleos de fibra natural no son adecuadas para su uso en ejes con alta humedad. La fibra sintética tiene un poder de absorción de lubricante relativamente menor y un alargamiento elástico longitudinal mayor. Es adecuado para su uso en un ambiente húmedo.

El alambre de acero se usa generalmente en cuerdas con núcleos metálicos. Este tipo de núcleo aumenta la sección transversal metálica y reduce la tensión de tracción en cables individuales. Están sujetos a un menor alargamiento bajo las mismas condiciones de carga que los cables con núcleo de fibra. Sin embargo, los cables con núcleo de alambre de acero no pueden girar durante la instalación. (En los cables con núcleos de fibra, todos los hilos se vuelven uniformemente más largos o más cortos cuando el cable gira). En los cables con núcleos de alambre de acero, tanto el exterior como el interior se aflojan hasta cierto punto. Por lo tanto, este tipo exige una mayor habilidad para la instalación.

Tensión de tracción y alargamiento

Dado que las hebras corren en espiral, ellas, al ser metálicas, actúan como resortes. Bajo carga, un cable de izado se extiende como un resorte y vuelve a su longitud original cuando está descargado. Por tanto, se aplica la Ley de Hooke. Módulo de Young, o módulo de elasticidad, E (ε), se define como la relación de la tensión de tracción σ (ε) a la elongación ε. El siguiente conjunto de ecuaciones es válido:

Aquí, F es la fuerza ejercida sobre la cuerda bajo tensión, A₀ es el área de la sección transversal real a través de la cual se aplica la fuerza, ΔL or x es el alargamiento o la cantidad en que cambia la longitud de la cuerda, y L₀ es la longitud original de la cuerda. k se llama "constante de Hooke", que describe la rigidez de la cuerda según el modelo de un resorte. Las cuerdas de baja elongación elástica longitudinal tienen un valor mayor de k.

Requisitos de los cables de izado

Los cables hechos de alambre de acero, a diferencia de otros materiales, se utilizan en los sistemas de ascensores por varias razones. Evidentemente, la tensión debe ser la adecuada, ya que un coche a plena carga es muy pesado.

Además, bajo aceleración, el peso podría ser un 15% más debido a que la tasa de aceleración normal es de alrededor de 1 m / s2 (200 pies / min2, o 10% de la gravedad) y, a veces, incluso mayor. Además de la tensión, las cuerdas están expuestas a otros factores de tensión, incluida la tensión de flexión, cuando los cables se doblan entre sí; torsión, donde es inevitable que las cuerdas se tuerzan durante la operación; fricción, lo que resulta en un desgaste abrasivo adicional de las hebras; y compresión, cuando los cables pasan por poleas y poleas.

Dado que los cables se utilizan para levantar la cabina del ascensor o el contrapeso (siempre viajan en direcciones opuestas) debido a la fricción entre las ranuras de la polea motriz y los cables, la tracción es la primera consideración. Si bien la tracción debe ser suficiente, no puede ser excesiva. El código especifica que cuando el contrapeso se asienta sobre el amortiguador en el foso, la tracción no debe ser tan alta que eleve un automóvil por encima del piso superior, incluso si la polea motriz todavía está girando.

Por lo general, hay varias cuerdas para una cabina de ascensor. Esta redundancia activa se proporciona para garantizar que cuando falla una cuerda, todo el sistema sigue siendo seguro, porque las cuerdas restantes pueden asumir el papel de esta cuerda que falla. La cabina del ascensor aún debe estar suspendida de manera segura cuando solo una cuerda permanece intacta. Esto se denomina "factor de seguridad", que debe ser de al menos 12 en Europa y aproximadamente 10 en los EE. UU., A una velocidad nominal de 2 m / so 400 pies / min. El factor de seguridad de los cables se define por la relación entre la resistencia mínima a la rotura de un cable y su propia tensión de funcionamiento.

Hay una ventaja más en el uso de cables de acero: la capacidad del personal de mantenimiento para identificar la posibilidad del final de su vida útil. La evaluación se basa generalmente en la medición del diámetro de un cable usado, el número de roturas del cable en las capas externas de los hilos, la existencia de colorete (polvo rojo en la superficie del cable que sugiere que se está produciendo un deterioro avanzado), etc. La medida del diámetro de la cuerda debe ser de corona a corona. Se deben realizar dos mediciones con una separación de 90 ° para llegar a un valor promedio, porque un cable de operación muy a menudo no es perfectamente redondo.

Las propiedades ideales de las cuerdas incluyen:

• El menor grado posible de desgaste del cable, que exige alambres gruesos y alta resistencia a la tracción.
• Larga vida útil del cable cuando se pasa sobre poleas y poleas, lo que exige alambres delgados (por lo tanto, se debe hacer un compromiso al considerar el punto anterior. Este conflicto también está presente en los dos puntos siguientes).
• Compatibilidad con la polea motriz, que exige poca resistencia a la tracción del cable
• La mayor resistencia a la rotura posible, exigiendo una alta resistencia a la tracción del alambre.
• Bajo alargamiento del cable debido a los procesos de acortamiento del cable después de la operación durante algún tiempo y expectativas de comodidad de conducción, lo que exige un área de sección transversal metálica alta y un núcleo de fibra de alta calidad
• Asequibilidad

Los diferentes requisitos pueden dar lugar a diferencias en la estructura de cable deseable. Como puede verse, a menudo existe un conflicto fundamental entre ellos. Por lo tanto, siempre se necesita un buen compromiso en función de las condiciones de funcionamiento reales.

La resistencia a la tracción, un parámetro importante de un cable de acero, indica la carga máxima que normalmente puede soportar un cable. Los alambres con alta resistencia a la tracción suelen ser más duros. Por supuesto, cuando una cuerda está sujeta a desgaste y fatiga metálica, la resistencia a la tracción disminuirá gradualmente. La resistencia a la tracción de los alambres en las capas internas del torón (típicamente 1,770 N / mm2) es a menudo diferente de la de la capa externa del torón (típicamente 1,370 N / mm2). Esto se denomina "tracción doble" porque la dureza de un cable suele ser mayor que la de la ranura de la polea motriz. Una capa exterior más suave de alambres de una hebra, con una resistencia a la tracción relativamente menor, puede reducir el desgaste de la ranura al mínimo.

La dureza de la cuerda suele ser superior a 400 HB en la escala Brinell, mientras que la dureza de la ranura es ligeramente superior a 210 HB. BHN está designado por las normas de prueba más comúnmente utilizadas (ASTM E10-14 e ISO 6506-1: 2005) en términos de "HBW" ("H" de dureza, "B" de Brinell y "W" del material del penetrador, carburo de tungsteno [wolfram]). En normas anteriores, se utilizaba "HB" o "HBS" para referirse a las medidas realizadas con penetradores de acero. HBW se calcula en ambos estándares utilizando unidades métricas como:

donde F = carga aplicada (en Newtons), D = diámetro del penetrador (en milímetros), y d = diámetro de la muesca (en milímetros).

El valor de HBW de 1,770 N / mm2 se usa popularmente en todo el mundo. Para los alambres internos también se utilizan 1,180 N / mm2 o 1,570 N / mm2. Para un cable de 8 (hebras) X 19 (alambres por hebra) con resistencia a la tracción (1,370/1,770) con un diámetro de 11 mm (7/16 pulg.), La resistencia máxima a la rotura es de 55.7 kN (12,500 lbf). Si se utilizan alambres con una resistencia a la tracción de 1,770 N / mm2 en todo el cable, a diferencia de los alambres internos y externos de una hebra, la resistencia máxima a la rotura se convierte en 62.8 kN (14,100 lbf). Si estos cables se utilizan para un elevador con una velocidad nominal de 2 m / s (400 pies / min), la tensión máxima en una condición estática en cualquier cable no debe ser superior a 6.3 kN, ya que se aplica un factor de seguridad de 10. en los EE.UU

Como se indicó anteriormente, el diámetro del cable debe medirse de corona a corona (Figura 7). Para ascensores de tracción o eléctricos, cuando se instalan nuevamente, el diámetro del cable debe estar entre 0% y + 5% del diámetro nominal. Cuando está viejo, el diámetro puede bajar de -6% a -10% y debe desecharse.

Lubricación de cables de izado

Como se mencionó anteriormente, durante el funcionamiento normal de los cables, los cables siguen frotándose entre sí y contra las ranuras de las poleas y poleas de transmisión. La única razón por la que los cables se pueden doblar sobre poleas o poleas es que todos los cables pueden desplazarse entre sí. Por lo tanto, es necesaria la lubricación del cable. Tal lubricación reduce la fricción entre alambres y entre hebras. Sin embargo, al mismo tiempo, no debe reducir la tracción entre las cuerdas y las ranuras. Esta preocupación significa que es falso asumir el concepto de "cuanto más, mejor".

Como se mencionó anteriormente, el núcleo de fibra de una cuerda es una reserva de almacenamiento de lubricante. Cuando se entrega desde el fabricante, el nuevo núcleo de fibra de cualquier cable está bien empapado con lubricante, mientras que el cable en sí está bien lubricado. Una vez que la cuerda está instalada y puesta en funcionamiento, el lubricante del núcleo de la fibra se ve obligado a filtrarse hacia afuera. Por lo tanto, después de algunas semanas de funcionamiento, es necesario limpiar el lubricante en la superficie del cable. Entonces es necesario volver a lubricar. A partir de ese momento, las cuerdas deben ser revisadas continuamente por falta de lubricante. La relubricación será necesaria de vez en cuando, por ejemplo, un par de veces al año. La reaplicación de lubricante debe depender del estado del cable, ya que la frecuencia de relubricación depende de varios factores:

• Frecuencia de funcionamiento del ascensor
• Entorno de funcionamiento (incluida la temperatura, la humedad, la presencia de polvo, etc.)
• Material de la polea y desgaste de la polea
• Polea de tracción endurecida (que necesitará una relubricación más frecuente)
• Deslizamiento entre las cuerdas y la polea motriz

Antes de realizar la relubricación, es necesaria una limpieza a fondo de la superficie de la cuerda. Esto se debe a que, durante el funcionamiento, el lubricante a menudo se mezcla con polvo y suciedad en el hueco del ascensor y la sala de máquinas. Dicho lubricante contaminado debe eliminarse antes de agregar cualquier lubricante nuevo. El lubricante debe estar limpio y no contaminado con suciedad externa. De lo contrario, no hay forma de verificar el diámetro del cable con precisión y contar el número de roturas de cable para determinar la vida útil del cable.

La relubricación también tiene un propósito importante: mantener el núcleo de la fibra en su tamaño original. Como la misión principal del núcleo de fibra es mantener los hilos en posición, cuando el núcleo está bien lubricado, los hilos están adecuadamente espaciados y no se frotan entre sí con demasiada fuerza. Sin embargo, el núcleo de la fibra se contrae y se seca si pierde lubricante gradualmente. En esta situación, es menos eficaz para espaciar los hilos. Dado que todas las hebras están sometidas a una alta tensión, intentan moverse hacia el núcleo a medida que el núcleo se vuelve más delgado. Durante el funcionamiento, las hebras y los cables se frotan cada vez con más fuerza.

Hay dos problemas aquí. Primero, toda la cuerda se vuelve un poco más delgada, reduciendo el área de la superficie de contacto entre la cuerda y la ranura y afectando la tracción. En segundo lugar, lo que es más significativo, la superficie de los cables está muy desgastada. Se forman partículas de hierro en la superficie de la cuerda. Como estas partículas ya no están protegidas por el lubricante, tienden a oxidarse rápidamente. Eso da como resultado la formación de polvo rojo en la superficie de la cuerda, llamado colorete. A medida que se eliminan las partículas de hierro de los cables, los cables se vuelven más delgados y son más propensos a romperse con la abrasión.

Es obvio que cada pieza de alambre en cada hebra está bajo tensión, ya que todos los alambres comparten la carga de una cuerda. A medida que el cable se vuelve más delgado, aunque la resistencia a la tracción permanece sin cambios, la carga máxima que puede soportar el cable se reduce, ya que el área de los cables se hace más pequeña. Por lo tanto, cuando el personal de mantenimiento encuentra colorete en una porción limitada de la superficie del cable, el cable debe mantenerse inmediatamente, aunque el reemplazo puede no ser urgente. El mantenimiento de una cuerda con colorete no puede llevarla al estado en que estaba cuando era nueva, pero al menos puede reducir la tasa de deterioro. Cuando una cuerda es cubierto con colorete, incluso en una pequeña porción, y si se deja desatendido, se deteriorará rápidamente y la vida se acortará mucho.

Algunos fabricantes afirman que sus cables no necesitan relubricación, porque el lubricante agregado durante la fabricación es lo suficientemente bueno para la vida útil del cable. Esta afirmación es muy dudosa, porque no hay una vida determinada de una cuerda. Puede ser corto o largo, según las condiciones de funcionamiento y el entorno.

Para ir a lo seguro, las cuerdas deben limpiarse y volverse a lubricar con regularidad para evitar un deterioro rápido.