Análisis estructural asistido por computadora del sistema de bastidor de cabina de ascensor en condiciones operativas de detención de emergencia

Sus autores describen el modelo CAA con respecto a las predicciones de estrés en la cabina.

por Mohammad Ghaleeh, Stefan Kaczmarczyk, Shafqat Rasool, Jonathan Adams y Nawar Al-Esawi

Este artículo fue presentado por primera vez por el Simposio en línea sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas, del 23 al 25 de septiembre de 2020, por la Universidad de Northampton, Reino Unido; Para más información visite ascensorsimposio.org.

Keywords: Coche, chasis, amortiguación, dinámica, flexión, deflexiones, tensión admisible

Abstracto. El artículo presenta un modelo de análisis asistido por computadora (CAA) de un sistema de bastidor de cabina de ascensor. El análisis estructural se lleva a cabo mediante la aplicación del Método de Elementos Finitos (FEM) para predecir las respuestas y tensiones que surgen en el sistema en condiciones de emergencia. El escenario de emergencia presentado en el documento involucra un evento de huelga de amortiguadores que ocurre durante el sobrecarrera del automóvil. A continuación, el modelo se puede utilizar para optimizar el diseño y garantizar un funcionamiento seguro del sistema.

Introducción

Los sistemas de transporte vertical (VTS) como los ascensores (ascensores) son elementos clave en el entorno construido, especialmente en el entorno de edificios de gran altura. Es extremadamente importante que el diseño de VTS proporcione un servicio eficiente y seguro a los ocupantes y usuarios del edificio.^{[ 1 ]}

Las cargas dinámicas actúan sobre los componentes del sistema de elevación durante el funcionamiento normal y las condiciones de emergencia. Entonces podrían producirse altos niveles de tensiones dinámicas en la estructura del bastidor de la cabina del ascensor. Para satisfacer los requisitos de las normas de seguridad y cumplir los criterios para un servicio aceptable, la comprensión profunda de los principios y modelos de ingeniería aplicados es de suma importancia al realizar los cálculos del sistema.^{[ 2 ]}

El objetivo de este trabajo es demostrar una solución asistida por computadora y un análisis de las respuestas dinámicas que surgen durante un escenario de emergencia. El arresto de emergencia se inicia cuando el automóvil sobrepasa el piso de la terminal designado en la parte inferior del hueco del ascensor. Las cargas dinámicas que surgen durante el evento se determinan y aplican en el análisis estructural FEM de los componentes estructurales del bastidor del automóvil.

Sobrecarrera de vehículos y detención de emergencia

El mecanismo de detención de sobrecarrera consta de amortiguadores debajo del automóvil (y a menudo debajo del contrapeso).^{[ 2 ]} Los códigos de seguridad permiten tres tipos de búfer^{[ 3 ]}: amortiguadores lineales del tipo de acumulación de energía; amortiguadores de acumulación de energía no lineales; y tampones de disipación de energía. Considere un escenario en el que el automóvil golpea un búfer de disipación de energía (Figura 1).

La ecuación de movimiento que describe la dinámica del sistema cuando el automóvil viaja a velocidad V ha activado un búfer de disipación de energía (evento de búfer) se da como

dónde g es la aceleración de la gravedad, x es el desplazamiento, M es la masa del ensamblaje del chasis del automóvil, c representa el coeficiente de amortiguamiento y k denota el coeficiente de rigidez del amortiguador. El amortiguador que actúa en la placa de golpe del amortiguador se determina como

En este modelo del bastidor del automóvil, la dinámica del amortiguador está representada por el modo fundamental con el bastidor del automóvil tratado como una carrocería rígida. Al resolver la ecuación de movimiento (1), la fuerza de amortiguación se puede evaluar fácilmente a partir de la ecuación (2).

Análisis estructural del ensamblaje de chasis de cabina

Para determinar las deformaciones dinámicas y los niveles de tensión del ensamblaje del bastidor de la cabina, el sistema se puede analizar mediante la aplicación del Método de Elementos Finitos (FEM). El comportamiento de la estructura se representa entonces mediante la siguiente ecuación^{[ 4 ]}

donde [M] es la matriz de masas, [C] es la matriz de amortiguación, [K] es la matriz de rigidez,  es el vector de carga y  denota el vector de desplazamiento.

Modelo CAD

El conjunto del bastidor de la cabina del ascensor es una combinación de tres componentes distintos: carrocería (recinto), eslinga (bastidor) y plataforma de la cabina. En la Figura 2 se muestra un modelo CAD utilizado en el estudio.

Análisis de modo fundamental del sistema de amortiguación del bastidor del automóvil

La ecuación (1) se puede reformular en términos de los parámetros del modo fundamental como

dónde  es la relación de amortiguación y  representa la frecuencia fundamental del sistema de amortiguación del bastidor del automóvil.

Luego, la ecuación (4) se resuelve considerando la velocidad del automóvil de 2 m / s, la relación de amortiguamiento z = 0.25, 0.75 y la frecuencia fundamental asumida como 1.63 Hz, respectivamente. Los resultados se muestran en la Fig.3.

Las deflexiones dinámicas se muestran en la Figura 3 (a) y las fuerzas de amortiguación se ilustran en la Figura 3 (b), respectivamente.

La clasificación de los amortiguadores se basa en detener el automóvil del 115% de la velocidad nominal (la velocidad de disparo eléctrico del regulador de exceso de velocidad). Códigos de seguridad^{[ 4 ]} estipular que la carrera total posible de los amortiguadores de disipación de energía será al menos igual a la parada por gravedad. Teniendo en cuenta que el automóvil golpea el amortiguador a la velocidad nominal y la distancia de detención por gravedad, para la velocidad nominal de V = 2 m / s, se calcula como = 0.2696 m, es evidente que las deflexiones máximas del amortiguador son menores que la carrera mínima del amortiguador.

Resultados y simulación FEM

En la simulación FEM del ensamblaje del bastidor de la cabina, se selecciona la estructura de la viga del canal de amortiguación. Los esfuerzos de flexión (Figura 4) y los niveles de deflexión (Figura 5) se determinan bajo las condiciones de carga máxima como se ilustra en la Figura 3 (b).

Las tensiones máximas permisibles en la tabla de amortiguación del bastidor de la cabina bajo las condiciones de amortiguación especificadas en ASME A17.1 se dan como 189.6 MPa (27,500 psi). Es evidente que bajo las condiciones de carga consideradas, los niveles máximos de tensión (determinados como 142.4 MPa y 112.9 MPa, respectivamente) no superan el valor permisible. La práctica normal para tratar con cargas que actúan en la estructura de la viga del canal de amortiguación (tablón de seguridad) es asegurarse de que las deflexiones no sean superiores a th del tramo de los canales. Teniendo en cuenta la longitud del tramo de 2350.7 mm, las deflexiones máximas (determinadas como 0.9687 mm y 0.7679 mm, respectivamente) están dentro del rango aceptable.

Conclusiones

El análisis y los resultados presentados en este documento demuestran que pueden ocurrir grandes deformaciones y niveles de tensión en un sistema de elevación durante un evento de detención de emergencia provocado por el sobrecarrera del automóvil. La tensión y la deflexión en los canales de amortiguación deben evaluarse en el peor de los casos de funcionamiento. Esto podría ocurrir durante eventos de almacenamiento en búfer, como se demuestra en el documento.

Referencias

[1] S. Mirhadizadeh, S. Kaczmarczyk, N. Tongue, H. Al-Jelawy, P. Feldhusen, W Delk, K. Anderson, F. Dudde, “Modelado y simulación por computadora de interacciones aerodinámicas en sistemas de elevación de gran altura . " Actas del 5º Simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas. Volumen 5, septiembre de 2015, Northampton, Reino Unido, págs. 117-123.

[2] JP Andrew y S. Kaczmarczyk, Ingeniería de Sistemas de Ascensores. Elevator World, Móvil, AL (2011).

[3] Instituto Británico de Normalización, Normas de seguridad para la construcción e instalación de ascensores. Ascensores para el transporte de personas y mercancías. Parte 20: Ascensores de pasajeros y de mercancías. BS EN 81-20: 2014.

[4] SS Rao, Vibración mecánica. Prentice Hall, Singapur (2005)

Nota del editor: los autores son miembros de la Facultad de Artes, Ciencia y Tecnología (FAST) de la Universidad de Northampton, University Drive, Northampton NN1 5PH, Reino Unido