Diseño y mejora de elevadores de banda de acero revestidos

Una discusión técnica

por Hongliang Liang

Palabras clave: Correa de acero revestida (CSB), motor de imán permanente (PM), sobretracción, zona de desgaste, diámetro de la polea motriz

Resumen

El tamaño de un motor de imán permanente (PM) se determina por el par máximo que genera; par = fuerza motriz x radio. Para minimizar el par, lo que reduce los costos de fabricación, el radio de la polea motriz debe ser lo más pequeño posible. Tradicionalmente, el diámetro de la polea motriz se basa en el estándar para cables de acero, que requiere que sea al menos 40 veces el diámetro del cable (d). Sin embargo, las correas de tracción, generalmente compuestas por un cuerpo de poliuretano con cables de tracción de acero, se utilizan originalmente en ascensores sin cuarto de máquinas (MRL). Se conocen como correas de acero recubiertas (CSB). Aunque los cables de acero dentro de las CSB permanecen intactos, sus cubiertas exteriores no son resistentes al desgaste, lo que provoca fallas no relacionadas con los propios cables de acero. En consecuencia, el estándar tradicional para cables de acero no es adecuado para determinar el diámetro de la polea motriz para ascensores CSB. Las CSB presentan un coeficiente de fricción amplio e inestable que aumenta con el tiempo. Este aumento de la fricción puede provocar sobretracción, incluso con una polea motriz de 80 mm. Sin embargo, este pequeño diámetro de polea provoca un desgaste rápido de las correas, lo que acorta significativamente su vida útil, que suele ser de unos cinco años para ascensores con una elevación superior a 30 m y una velocidad superior a 1.0 m/s. La contradicción entre el desgaste y la sobretracción exige una revisión de los códigos y normas vigentes para los ascensores de banda ancha. Es necesario desarrollar tecnologías avanzadas para abordar estos desafíos, y priorizar los métodos de reparación de los ascensores de banda ancha.

1. Fondo

En junio de 2024, el Sr. Zhang Lexiang, secretario general de la Asociación de Ascensores y Escaleras Mecánicas de China, compartió una publicación en LinkedIn en la que expresaba su preocupación por los desafíos que enfrentaban los sistemas de ascensores de CSB. Hizo referencia a un grave incidente de rebote de pasajeros ocurrido el 26 de agosto de 2023 en Changsha, cuestionando si esto marcaría un punto de inflexión para los fabricantes de ascensores de CSB.

También señaló que los ascensores CSB se han promocionado desde el año 2000 por su eficiencia energética y diseños compactos, lo que reduce los costes de fabricación. Sin embargo, los modelos recientes con poleas de tracción reducidas de 80 mm e inversores de 10 A presentan graves problemas de fiabilidad. Los informes indican que la vida útil de los CSB suele ser inferior a cinco años, mucho menor de lo anunciado. Los costes de sustitución de los CSB son entre 8 y 10 veces superiores a los de los cables de acero tradicionales. Para abordar estas preocupaciones, la Administración Estatal de Regulación del Mercado (SAMR) de China exige ahora a los proveedores de ascensores que garanticen una vida útil de los CSB de 15 años (o 3 millones de ciclos), exigiendo sustituciones gratuitas en caso de fallos prematuros. Los ascensores CSB tampoco son adecuados para proyectos de alta velocidad, donde las fuerzas de tracción excesivas pueden provocar una desaceleración peligrosa, con el riesgo de lesiones a los pasajeros durante las paradas de emergencia. Los retos aumentan significativamente en edificios que superan los 30 m de altura o con velocidades superiores a 1.6 m/s.

A pesar de estos problemas, Zhang cree que los ascensores CSB pueden mejorarse mediante diseños de sistemas robustos. Sin embargo, el énfasis actual de la industria en la reducción de costos amenaza la seguridad y la fiabilidad a largo plazo, lo que genera posibles desastres para las empresas de ascensores y las partes interesadas.

2. Discusiones técnicas

En una conversación reciente entre el autor y Zhang, ambos profesionales analizaron en profundidad los desafíos técnicos asociados con los ascensores CSB, identificando varias preocupaciones de diseño y funcionamiento. El autor inició la conversación solicitando a Zhang el informe oficial sobre la corta vida útil de los CSB, acompañado de fotografías (Imágenes 1 a 5), ​​para un artículo que el autor tenía intención de escribir. Zhang reconoció el problema común de la vida útil de los CSB, que a menudo se limita a entre tres y cinco años, y destacó preocupaciones más amplias como el ruido, las vibraciones, los fallos en los rodamientos y la desalineación del paralelismo entre la polea de tracción y los desviadores, lo que agrava el desgaste y la tensión.

Su autor coincidió con las observaciones de Zhang y planteó cuestiones adicionales, como la insuficiencia de la relación D/d de 40 y los diámetros de las poleas de tracción, que oscilan entre 80 mm y 120 mm. Comparó la ineficiencia del sistema con la de un perro pequeño tirando de un carro tirado por caballos, atribuyendo el rápido desgaste a la pequeña área de contacto y a las altas velocidades de rotación. Su autor enfatizó la carga asimétrica de las correas, que sobrecarga una sola correa, y el posible impacto de la tensión desigual en los bordes de la correa. Zhang proporcionó más información, compartiendo que problemas como el ruido, la vibración, los fallos de los rodamientos y los frecuentes enredos de las poleas tienen consecuencias graves, como la caída del contrapeso y de los vehículos. Señaló la complejidad de abordar estos desafíos, especialmente en el contexto de una tracción excesiva. Según Zhang, algunas empresas, como la Compañía B, aplican recubrimientos de Teflon™ para mitigar la alta tracción, mientras que la Compañía A solo utiliza cadenas de compensación en edificios de más de 16 plantas.

La Plataforma de Lectores refleja la experiencia y la opinión del autor y no la del editor.

En respuesta, el autor expresó su escepticismo sobre si el problema era la falta de tracción, en lugar de la sobretracción, pero reconoció haber aprendido nuevas perspectivas de Zhang. Zhang amplió su experiencia, adquirida tras participar en la certificación de ascensores CSB en 1999, y aclaró que el problema principal radica en el daño de la funda de las correas de acero revestidas, más que en los propios cables de acero. Enfatizó la importancia de la precisión fáctica, citando una rigurosa investigación realizada en el centro nacional de pruebas de ascensores para contrarrestar las posibles críticas de algunos fabricantes.

El debate concluyó con una reflexión del autor sobre las limitaciones de los esfuerzos individuales para demostrar teorías técnicas sin datos experimentales sólidos. Lamentó la tendencia actual en la literatura científica que prioriza las construcciones teóricas sobre los hechos reales, lo que subraya la necesidad de soluciones prácticas y basadas en la evidencia para el CSB.

3. Resumen del Informe de Investigación y Evaluación Técnica^{[ 1 ]}

3.1 Detalles del Ascensor

• Capacidad: 800 kg; Velocidad nominal: 1.75 ms
• Cuerda: 2:1; Suspensión: 3 OFF 30 mm x 3 mm (ancho x grosor).
• Pisos/Paradas: 27 pisos/27 paradas (-1F, 1F a 26F, 1F es el piso principal)
• Cadena de compensación estándar: Sí (pero se eliminó recientemente)
• Distancia entre el centro de los rieles guía del automóvil y el centro de los desviadores debajo del automóvil: 200 mm
• Por Shenzhen Calidad y Seguridad
  Instituto de Inspección 25-12-2023

3.2 Acuerdo General (AG)

Características del motor PM 3.2.1

T=BLR2πRA= 2BA(πR²L) = 2BAV donde T = par (total), B = intensidad del campo magnético, L = longitud del conductor en el campo magnético, R = radio equivalente del motor y V = volumen del motor (sección de X longitud L). Dado que el par es proporcional al cuadrado del radio, es imperativo partir de un motor de imán permanente (plano) al diseñar ascensores MRL.

Con un motor de imán permanente tipo lápiz, D debe ser lo más pequeño posible, por lo que algunos fabricantes de MRL deben usar correas en lugar de cables para accionar la cabina y el contrapeso. Cuando se utilizan soluciones de ascensores MRL (Figura 1) para ascensores con sala de máquinas superior (MRA) (Figura 2) para minimizar los costes, se debe prestar especial atención a los ascensores con "sala de máquinas pequeña" para edificios de mediana altura. Simplemente trasladar la máquina de un ascensor MRL del hueco a la sala de máquinas para construir un ascensor MRA (Figura 2) no es aceptable, especialmente en edificios residenciales de gran altura.

4. Análisis del accidente

4.1 Eventos iniciales

Se puede observar que el ascensor funcionaba correctamente desde el piso 24 hasta el cuarto piso.

4.2 Parada de emergencia

La cabina del ascensor continuó descendiendo desde el cuarto y tercer piso hasta el primer piso; por eso, el botón del primer piso dentro de la cabina se apagó. Pero la cabina no se detuvo en el primer piso, por lo que las puertas no se abrieron. Luego, silenciosamente, retrocedió hacia arriba. Finalmente, la cabina del ascensor se detuvo repentinamente entre el cuarto y tercer piso, a 1,465 mm por encima del umbral de la puerta del tercer piso.

4.3 Pasajeros lanzados hacia arriba

Los pasajeros salieron despedidos hacia arriba. Esto suele ocurrir cuando la cabina del ascensor sobrepasa la altura libre (o cuando se activa el dispositivo de seguridad de contrapeso [CTW], pero este ascensor no lo tiene), lo que provoca que el CTW golpee los topes e impida que la cabina siga ascendiendo. En este caso, los pasajeros salieron despedidos hacia arriba porque la fuerza de tracción ascendente sobre la cabina desapareció repentinamente debido a la rotura del CTW, lo que provocó el rebote (Figura 4).

4.4 Conclusión del Accidente

Según las figuras 16 y 17, las zonas de mayor desgaste en las correas deben ser las superficies de contacto entre estas y la polea motriz cuando la cabina del ascensor se encuentra en la planta baja (planta principal). La planta principal es la de mayor tránsito, por lo que las zonas de contacto suelen resistir la aceleración ascendente y la desaceleración descendente. Esta zona es la más vulnerable a lo largo de cada correa. La figura 5 proporciona más evidencia de la ubicación de la zona rota en la planta 23, cuando la cabina se detuvo entre las plantas tres y cuatro.

El ascensor tiene una capacidad de 800 kg (10 personas). Había tres pasajeros en la cabina, lo que significa que el CTW era más pesado que el peso de la cabina más el peso de los pasajeros. Cuando la cabina se acercaba al nivel del rellano del primer piso, la fricción entre la polea motriz y las correas se redujo repentinamente o desapareció, lo que la hizo demasiado débil para mantener la cabina en la zona del rellano del primer piso. La cabina fue impulsada hacia arriba por el CTW, pero la máquina seguía bajando. En ese momento, se produjo una violenta fricción deslizante entre la superficie de la correa y la superficie de la polea motriz, acompañada de una gran cantidad de calor, lo que provocó que la superficie de la correa se quemara gravemente (Figura 8).

Cuando el automóvil pasó el tercer piso y la velocidad de la cabina del ascensor superó la velocidad limitada del regulador (mayor que 1.15 x 1.75 m/s = 2.0125 m/s) mientras subía, se activó el interruptor de seguridad del regulador (Figura 6), lo que provocó que se activaran los frenos de la máquina del ascensor (Figura 14a).

En consecuencia, la polea de tracción dejó de girar hacia abajo. En ese momento, debido a la reducción de la velocidad relativa de movimiento entre la polea de tracción y las correas (Figura 14b), el coeficiente de fricción aumentó drásticamente, pasando del coeficiente de fricción por deslizamiento, inferior a 0.176 en condiciones de funcionamiento (como se indica en la página 26 del informe original[1]), al coeficiente de fricción equivalente de 0.48 en condiciones de retención de la cabina (coeficiente de fricción estática, pero real en el "Coeficiente de Fricción Equivalente"), lo que provocó que la fricción por deslizamiento (Figura 14c) volviera rápidamente a fricción estática (Figura 14d).

La repentina aparición de fricción estática (con un coeficiente de fricción de 0.784, denominado por Zhang "sobretracción", también confirma que el CSB tiene un coeficiente de fricción inestable; cuanto más tiempo esté en servicio, mayor será el coeficiente). Simultáneamente, el CTW, que originalmente se movía hacia abajo, fue repentinamente tirado hacia arriba por una fuerza tremenda. En ese momento, esta fuerza repentina causó que el CTW que se movía hacia abajo se desintegrara y se rompiera. La razón de la desintegración del CTW es que este tipo de ascensor fue diseñado para una capacidad máxima de 408 kg con una velocidad nominal máxima de 0.7 m/s. Como resultado, el peso de la cabina, junto con el de los tres pasajeros, repentinamente se volvió más pesado que el peso restante del CTW. La cabina comenzó a caer en picado. Mientras tanto, el trinquete mecánico del regulador se bloqueó en la dirección descendente (Figura 7), y el dispositivo de seguridad se activó, deteniendo la cabina entre el tercer y cuarto piso.

Según ChatGPT: El coeficiente de fricción entre la polea motriz del ascensor (a menudo de un material como hierro fundido o acero) y los cables de acero es un factor crucial en el diseño y el funcionamiento de los sistemas de ascensores. Normalmente, el rango del coeficiente de fricción (μ) entre la polea motriz del ascensor y los cables de acero es:

• Condición seca: 0.10 a 0.30
• Condición lubricada: 0.05 a 0.20*

Un impulso también puede considerarse como el cambio en el momento de un objeto al que se aplica una fuerza resultante. El impulso puede expresarse de forma más simple cuando la masa es constante: J = F x Δt = m v² - m v¹, donde F es la fuerza resultante aplicada, Δt es el intervalo entre el inicio y el fin del impulso, m es la masa del objeto, v² es la velocidad final del objeto al final del intervalo de tiempo, y v¹ es la velocidad inicial del objeto al inicio del intervalo de tiempo.

Los pasajeros fueron proyectados hacia arriba debido al efecto rebote provocado por la repentina desaparición de la fuerza de tracción ascendente sobre el vehículo como resultado de la desintegración y rotura del contrapeso.

4.4.1. El coeficiente de fricción de CSB

El coeficiente de fricción entre los cables de acero y la polea motriz de hierro suele ser de 0.15 a 0.3 y es muy estable. Por ello, se utiliza la fricción metal-metal como fuerza de tracción en el transporte vertical. Sin embargo, el coeficiente de fricción entre las correas de acero revestidas no solo es muy amplio (0.176-0.784), sino que, además, cuanto mayor sea el tiempo de servicio, mayor será la probabilidad de sobretracción.

4.4.2 El rango de velocidad efectiva de los motores PM

La fórmula básica para la velocidad de un motor de CA es: RPM = 120*F/P. F es la frecuencia de alimentación eléctrica en hercios (Hz) y P es el número de polos del motor. El número de polos puede variar desde tan solo dos hasta 18 o más, según el diseño. El número de polos de un motor determina sus características de velocidad y par. Un mayor número de polos implica una menor velocidad, pero un mayor par, mientras que un menor número de polos resulta en una mayor velocidad, pero un menor par. En este motor de imán permanente tipo lápiz, para alcanzar una mayor velocidad de rotación, el número de polos debe ser dos.

A diferencia de los motores inductivos de CA, los motores PM no tienen una velocidad rotatoria nominal; sin embargo, como los países europeos y muchas partes de Asia, África y Australia usan 50 Hz, lo que lo convierte en el estándar para muchas aplicaciones industriales y comerciales a gran escala, la velocidad de un motor PM con una fuente de alimentación de CA de 50 Hz puede considerarse como la velocidad nominal o de referencia: en este caso, velocidad (RPM) = 120 × 50 (Hz) / 2 = 3000 RPM.

La potencia de un cuerpo giratorio se puede expresar como P = T, y la potencia de salida es constante cuando la velocidad está fuera de la zona efectiva (Figura 15). Como resultado, el rango de efecto (zona verde en la Figura 15) de un motor de imán permanente es de una milésima a una centésima de la velocidad nominal (por debajo de 50 Hz), por lo que 3000 RPM x 100‰ = 300 RPM es la velocidad de rotación efectiva máxima cuando los motores de imán permanente pueden funcionar a plena carga con un diámetro de la polea motriz D = 80 mm.

• Cuando la velocidad nominal del elevador es de 0.7 m/s con cuerda 2:1, la velocidad de rotación = (2X 0.7 m/s X 60 s/min) / (0.08 mX3.14) = 334.39 RPM.
• Cuando la velocidad nominal del ascensor es de 1.0 m/s con una relación de transmisión de 2:1, la velocidad de rotación = 477.70 RPM, que es 1.59 veces 300 RPM como velocidad ineficiente.
• Cuando la velocidad nominal del ascensor es de 1.75 m/s con una relación de transmisión de 2:1, la velocidad de rotación = 835.975 RPM, que es 2.78 veces 300 RPM como velocidad ineficiente.

4.4.3. La zona de desgaste de los CSB

Al aterrizar la cabina en la planta principal, la zona de mayor desgaste a lo largo de cada CSB se presenta únicamente en el área donde las correas entran en contacto con la polea motriz (Figura 16). La disposición desequilibrada del desviador provoca que la primera correa (que va hasta el umbral de la cabina) soporte cargas desequilibradas, por lo que se desgastará mucho más rápido que las demás (Figura 17).

5. Conclusión

La pequeña máquina PM estilo lápiz funciona como “un perro tira de un carruaje de caballos a través de un dispositivo de polea 4:1” al compararlo con un motor PM estilo salchicha, donde el diámetro de la polea motriz D = 320 mm y el diámetro de la cuerda d = 8 mm, (D/d/=40), pero “el perro tiene que correr cuatro veces más rápido que un caballo para alcanzarlo”.

• El ascensor accidentado tiene una capacidad de 800 kg y una velocidad nominal de 1.75 m/s, pero su velocidad predeterminada es de 1.25 m/s (Figura 18), lo cual difiere considerablemente del folleto que se muestra en su sitio web. Este modelo de ascensor CSB tiene una carga máxima de 408 kg, una velocidad máxima de 0.7 m/s, un máximo de ocho paradas y una elevación máxima de 25 m.
• La disposición del desviador (Figuras 12 y 13) hace que la primera correa (hacia el umbral del automóvil) asuma una carga desequilibrada, por lo que la primera correa se desgastará mucho más rápidamente que las demás (Figura 17).
• Cuando se utilizan correas para ascensores MRA, los desviadores deben ubicarse en la parte superior de la cabina, de manera similar al desviador en el CTW (Figura 20).
• Cuando el diámetro de la polea de tracción es de 80 mm, los ascensores CSB no son adecuados para velocidades superiores a 1 m/s. Es muy probable que 1.0 m/s sea su límite.

6. Notas del autor

El ascensor MRL es el resultado de la innovación del motor de imán permanente (PM). Actualmente, en los ascensores MRA se utilizan ampliamente motores de imán permanente (PM) en lugar de máquinas con engranajes de CA o máquinas sin engranajes de CC. El CSB es una buena tecnología, pero presenta algunas limitaciones: se debe prestar especial atención a la capacidad máxima y la velocidad de los ascensores. Por lo tanto, el autor presenta algunas notas a continuación:

• Estos pequeños motores de imán permanente (PM) tipo lápiz no son más eficientes energéticamente que otros motores de imán permanente tipo disco. Por el contrario, cuando la velocidad de rotación es superior a la velocidad efectiva, cuanto mayor sea la velocidad de rotación del motor de imán permanente, menor será la eficiencia energética.
• Los CSB son completamente diferentes de los cables de acero, y los códigos y estándares para cables de acero no son aplicables a los CSB.
• Cuando los desviadores se encuentran debajo de la plataforma del automóvil, las correas deben estar dispuestas simétricamente a ambos lados de los rieles guía del automóvil (Figura 3).
• Debido a que la zona muy desgastada solo ocurre en el área particular a lo largo de cada CSB (Figuras 16 y 17), los fabricantes de elevadores CSB deben desarrollar un kit de reparación rápida para solucionar este problema regularmente, como reparar los neumáticos de los vehículos.
• El coeficiente de fricción entre los CSB y la polea motriz es muy inestable (0.176-0.784); esto provocará sobretracción en caso de parada de emergencia. Sin embargo, instalar sistemas de frenos antibloqueo (ABS) en los frenos del elevador CSB podría ser una solución viable.
• Debido a la sobretracción de los CSB, la combinación de un diámetro pequeño de la polea motriz y un número insuficiente de CSB permite impulsar la cabina y el contrapeso de un ascensor CSB con hasta el doble de capacidad que su diseño original. Esto genera una presión excesiva de los cables de acero sobre las vainas exteriores de cada CSB, lo que puede provocar la protrusión y el enredo de los cables de acero fuera de los CSB (Imágenes 1 y 4). Por lo tanto, los nuevos códigos y normas también deberían abordar este problema.
• Para la solución anterior, su autor sugiere los siguientes diámetros de las poleas motrices para los ascensores CSB:
• D80 mm para 0.7-1.0 m/s con un desnivel máximo de 25 m sin ABS;
• D160 mm para 1.6-2.0 m/s con un desnivel máximo de 60 m con ABS;
• D240 mm como diámetro mínimo para 2.5-3.5 m/s con un desnivel máximo de 120 m con ABS y paracaídas tanto en cabina como en CTW de forma independiente.

7. referencias

[1] Informe de Investigación e Informe de Evaluación Técnica del caso “8.26” Accidente con lesiones por falla de ascensor en Zhong-Fang Ruizhi Comunidad, distrito de Fu-Rong.

[2] Características de accionamiento de PMSM y curvas de restricción, uk.mathworks.com.

8. Reconocimiento

Me gustaría expresar mi especial agradecimiento al Sr. Zhang Lexiang por su orientación y tutoría en la redacción de este artículo.

*Según el Sr. Jaakko Kalliomäki, uno de los autores de "Tracción por cable de alta velocidad durante paradas de emergencia", presentado en Elevcon 2025: En aplicaciones generales, se podrían usar entre 0.075 y 0.2 como mínimo y máximo probables para el coeficiente de fricción dinámica (deslizante). Sin embargo, el coeficiente de fricción se suele considerar como una distribución de Weibull, por lo que se pueden esperar valores superiores e inferiores. Y, por supuesto, los valores son específicos de cada aplicación, por lo que se debe tener cuidado con los parámetros del material y las condiciones ambientales, etc.