Evolución del contrapeso

Una historia del componente a menudo olvidado y sus adaptaciones a la tecnología a lo largo del tiempo.

por John Inglis

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Resumen

En este trabajo se hará un repaso de la evolución del contrapeso desde los primeros tiempos, cuando el hombre quería facilitar su trabajo. Se han utilizado y adaptado muchos diseños de contrapesos para adaptarse a los cambios tecnológicos. El contrapeso tiende a ser el componente olvidado en el paquete de elevación total. Se espera que este [artículo] pueda informar y registrar esta evolución para las generaciones futuras.

Diseños de contrapeso variados para adaptarse a las siguientes condiciones: 

• Mejorar la eficiencia 
• Reducir la carga del eje de la máquina 
• Reducir el consumo de energía. 
• Reducir la carga diferencial 
• Mejorar la precisión de frenado 
• Reducir el tamaño de las cuerdas en la máquina.
• Reducir los problemas de tracción
• Reducir el impacto en el suelo del foso
• Reducir el almacenamiento en búfer a altas velocidades 
• Mejorar la facilidad de manejo
• Disminuir el tiempo de instalación  
• Proporcionar un medio para ajustar el peso para adaptarse al coche terminado. 

Arreglos de guía típicos para contrapesos

• Guía de alambre fijada en la parte superior e inferior del eje 
• Caja de madera que contiene un peso redondo o cuadrado 
• Guía de madera y madera de respaldo utilizada en muchas instalaciones antiguas y para unidades actuales en un entorno explosivo  
• Las zapatas de guía redondas de acero, ya sean sólidas o de tubo, son de metal o plástico con carcasa de metal  
• T de acero con rodillo de metal con pestaña  
• Channel  
• Hierro angular con varios arreglos de rodillos 
• Serie de rodillos o bloques guía, fijados a la pared del hueco, que trabajan en conjunto con un tramo de riel guía a cada lado del contrapeso. Las unidades de guía en la pared del eje están ubicadas lo suficientemente cerca como para que siempre haya un mínimo de dos conjuntos acoplados a cada lado del contrapeso. 
• Rieles en T de acero en una variedad de tamaños y pesos; las zapatas guía suelen ser de metal o de metal con inserciones de plástico para ascensores de baja velocidad y rodillos para ascensores de mayor velocidad.

Zapatas guía como parte del peso superior e inferior

Los primeros contrapesos corrían sobre guías de madera; la guía de madera era una madera resistente como la madera de sebo. Este sistema permitió zapatas guía muy primitivas, como ranuras en el peso inferior y superior. No hubo ajuste de la zapata guía. Incluso en los primeros días de los rieles de guía de metal, se aplicaba el método de usar el peso superior e inferior como guías fijas.

Zapatos guía que incorporan rompehielos

Los contrapesos en torres altas expuestas a ambientes muy fríos tenían que estar equipados con "rompehielos" o raspadores para mantener limpios los rieles.

Tipos de contrapeso

Peso de choque

Los bocetos muestran un método muy temprano para reducir el impacto en el piso del pozo en caso de falla de la suspensión. Esto se aplicaba a ascensores más pequeños donde el contrapeso estaba por encima del espacio ocupado. Su principal desventaja era que era una solución de “un solo golpe” que rompía todos los pesos de relleno, que tendrían que ser reemplazados. La rotura de los pesos de relleno redujo la inercia en el sistema, reduciendo así el impacto en el piso del tajo. El croquis de la izquierda muestra la disposición normal, el de la derecha-el boceto a mano muestra los pesos rotos y la altura reducida de la pila de relleno. El diseño de los rellenos tenía que garantizar que bajo el acoplamiento normal del amortiguador de contrapeso, los rellenos no se rompieran pero tuvieran espacios entre los rellenos para permitir el máximo espacio para que los rellenos rotos ocuparan, causando así la máxima reducción en la pila de relleno.

Pesos tipo varilla

Este tipo de construcción de pesas fue muy popular en los primeros días de los elevadores de tambor y de tracción. Se utilizó durante un período de tiempo más largo con las empresas más pequeñas debido a su flexibilidad y menor participación en la fabricación. Los fabricantes más grandes con plantas de acero estructural cambiaron el peso del marco, particularmente a medida que aumentaban las velocidades de elevación.

Pesos de prueba y anclajes de cuerda

En los primeros días de los contrapesos tipo varilla, se fabricaba una variedad de pesos superiores (a veces llamados pesos king) de hierro fundido. En muchos casos, estos pesos tenían el nombre de las empresas grabado como se muestra en el boceto. 

En una conferencia de ingeniería dada en 1924, se describió un método para hacer agujeros en forma de cuña en este peso superior para el anclaje directo de cuerdas. Esta debe haber sido una de las primeras aplicaciones de casquillos tipo cuña en la industria de los ascensores. 

Esta introducción del anclaje de la cuerda y los pesos superiores también se sometió a una prueba de resistencia de las terminaciones de la cuerda y las piezas fundidas superior e inferior conectadas por las varillas estándar que se utilizarán. Una de las pruebas realizadas en un ascensor de pasajeros resistió una deformación igual a 30,000 kg. 

Peso enmarcado 

Después de que muchos países prohibieran los pesos tipo barra para ascensores de alta velocidad y ascensores en áreas sísmicas, el tipo de construcción más popular fue el peso con estructura. En los días previos a la soldadura por arco, estos marcos se fabricaban con canal de hierro y placas remachadas entre sí. El montaje de estos contrapesos en el campo fue mucho más fácil que la construcción tipo varilla y mucho más seguro para el trabajador de la construcción. El peso tipo varilla era muy difícil para cargar los rellenos en las varillas y mantener la estabilidad de la pila parcialmente construida que, a diferencia del peso enmarcado, no tenía zapatas guía superiores hasta que se colocaba el peso superior.

Peso del tanque

Los pesos de los tanques se introdujeron como una reducción de costos; además, las piezas fundidas fueron difíciles de obtener durante la Segunda Guerra Mundial. La descripción más simple de un peso de tanque es que es como un peso enmarcado con cada lado cubierto con una placa de acero que lo convierte en una caja o tanque. La idea era llenar el tanque con troqueles de chatarra; esto permitió un ajuste de última hora del equilibrio después de que se completaron los revestimientos del automóvil. Surgió un problema importante en las primeras etapas de la aplicación: los tanques comenzaron a expandirse en espesor debido a que las perforaciones se acumularon debido a la parada brusca del elevador y, lo que es más importante, al acoplamiento del amortiguador de contrapeso. Hubo varios casos en los que el lado del tanque se inclinó y rompió la soldadura. Este efecto fue causado por el empaquetamiento del contenido hasta tal punto que los lados del tanque se abombaron. 

El aumento del espesor del tanque reduce el espacio de funcionamiento entre el tanque y el carro y, en algunos casos, entre el tanque y la pared del pozo. 

El tamaño del tanque tenía que ser considerablemente mayor que los contrapesos que usaban rellenos de hierro fundido, porque la eficiencia de llenar el espacio dentro del tanque dependía del tamaño y la forma de los troquelados de chatarra. El óxido fue otro problema inesperado. La cantidad de óxido, o la velocidad con la que se desarrollaba, dependía del material perforado y del aceite/lubricante de corte utilizado para aumentar la vida útil de los punzones. 

Contrapesos de losa

El uso de un contrapeso de una sola pieza tiene ventajas y desventajas que deben tenerse en cuenta antes de decidirse por esta forma de construcción de contrapeso. 

Ventajas de los pesos de losa

• Es una unidad compacta que se puede fabricar en una forma adecuada para la aplicación, por ejemplo, larga y delgada, corta y gruesa, o moldeada. 

• Se puede utilizar en modelos de ascensores en los que se conocen los pesos específicos del coche y no es necesario ajustar el peso.

• No se dobla en situaciones de terremoto como múltiples pesos en la construcción tipo varilla. 

Desventajas de los pesos de losa

No es fácil agregar o restar pesos adicionales, excepto en la parte inferior del conjunto de pesas. Es muy difícil de manejar. Puede dañar fácilmente los marcos de las puertas o los umbrales de las puertas cuando se mueve hacia el hueco.

Reducción del consumo de energía

Durante la guerra en Australia, se redujeron los contrapesos de muchos ascensores al peso del automóvil más el 40% de la carga, en lugar del peso del automóvil más el 50%, que había sido la práctica común. Esto fue diseñado para reducir el consumo de energía basado en el hecho de que los ascensores rara vez llevaban la carga máxima. En algunos casos, esto no fue posible debido a la relación de tracción entre cabina y contrapeso. 

Espacio libre de funcionamiento del contrapeso

Siempre existe la discusión sobre cuánto espacio de pozo hay disponible para ascensores; el cliente quiere el máximo espacio alquilable, y el contratista de ascensores requiere espacios de funcionamiento adecuados. El espacio entre la cabina y el contrapeso puede ser tan bajo como 25 mm para muchos ascensores de baja velocidad, pero para ascensores de alta velocidad, debe aumentarse para reducir el efecto de sacudidas cuando pasan el contrapeso y la cabina. En algunos casos, un espacio libre de 100 mm, junto con un diseño de contrapeso que tenga una forma aerodinámica, debería mejorar el flujo de aire y reducir las turbulencias.

Comparación de peso para materiales de contrapeso 

Durante muchos años, las empresas han utilizado diferentes materiales para proporcionar la mayor parte del peso de un conjunto de contrapeso. La selección de estos materiales se ha basado en el precio, la disponibilidad, los costes de transporte y la forma de ajustar el equilibrio a la finalización del interior de la cabina. Es necesario considerar lo anterior y el espacio disponible, ya que el material menos denso ocupa mucho más espacio para el peso equivalente. El material más común utilizado ha sido el hierro fundido; otros materiales han sido acero, plomo, hormigón y combinaciones de estos. 

Multi Línea de Llenadoras

Para elevaciones muy grandes, los rellenos de contrapeso se volvieron demasiado pesados ​​para manejar; esto requería que los marcos de contrapeso estuvieran diseñados para sostener varias filas de pesos de relleno. Esta práctica también permitió a los fabricantes utilizar sus pesos más pequeños en los ensamblajes de filas múltiples en lugar de fabricar pesos grandes especiales que no se usaban con mucha frecuencia. 

arena en tanque 

Ha habido casos de contrapesos que se llenaron de arena para poder lograr el equilibrio correcto o requerido. Esta práctica duró poco debido a dos problemas principales: la arena se filtraba a través de pequeños agujeros y el peso de la arena cambiaba debido a que la arena absorbía la humedad o la arena se secaba. 

Contrapesos de cajas de ritmos 

¿Por qué se eliminó el contrapeso de los ascensores tipo tambor? Los principales accidentes asociados con los contrapesos y las cajas de ritmos fueron el resultado del ajuste o la falla de los interruptores de límite, aunque la mayoría de estos se hicieron parte de la máquina para garantizar una acción positiva. 

En algunos casos, la máquina se rebobinaba y arrastraba el contrapeso hacia la sala de máquinas. La ubicación de la viga de la máquina puede evitar que el contrapeso sea empujado hacia la sala de máquinas, pero al mismo tiempo, hace que el contrapeso se detenga abruptamente. Esta parada repentina ha sido la causa de que muchos cables se rompan o fallaran las terminaciones, lo que permitió que el contrapeso cayera libremente al foso. 

El atascamiento de la cabina en el eje en un recorrido de dirección descendente ha permitido que los cables se aflojen, deteniendo la máquina al abrir el interruptor de cable flojo. Esta situación no ha sido infalible; ha habido casos de mecánicos de ascensores que operaron los controles manualmente y enrollaron el cable fuera del tambor, y luego enrollaron el cable nuevamente en el tambor en la dirección incorrecta.

Antes de que se prohibieran los contrapesos en los ascensores accionados por tambor, se instalaron dos contrapesos en las mismas guías. El peso inferior era para el carro y las cuerdas pasaban por el peso superior. El peso superior se instaló por dos razones: para reducir la carga en la caja de ritmos y para evitar que se requieran cuerdas más grandes o adicionales.

Los contrapesos de recolección simple fallaron, lo que permitió que el contrapeso cayera libremente al foso. Aunque había dos cuerdas entre la máquina y el contrapeso, la conexión se realizaba a través de una barra compensadora que solo tenía un punto de conexión con el contrapeso.

Contrapesos que salen de los rieles guía

Hay varias razones por las que los contrapesos salen de los rieles de guía; en primer lugar, los terremotos pueden hacer que la distancia entre la guía aumente hasta tal punto que las zapatas de guía se desenganchen. 

La separación del riel guía puede deberse a fallas o aflojamiento de los soportes del riel, muchos de los cuales tienen orificios de fijación ranurados para el ajuste durante la instalación. 

En algunos casos, las ménsulas son independientes y la construcción del edificio falla entre dos ménsulas al mismo nivel. 

Otra razón por la que los contrapesos salen de los rieles guía es el pandeo de los rieles debido a que los rieles terminan demasiado cerca de la parte inferior del piso de la sala de máquinas y la compresión del edificio causa carga en la parte superior de los rieles. Esta carga ha pandeado los rieles en la medida en que ha aumentado la distancia entre los rieles. 

El acoplamiento de la zapata guía o del rodillo es muy importante, especialmente en los tamaños de riel pequeños. En un esfuerzo por mantener un espacio libre adecuado entre la zapata guía o el soporte de seguridad de la zapata de rodillos y los clips de sujeción del riel, algunos diseñadores han cometido el error de reducir la cantidad de enganche en los rieles guía más pequeños. 

Durante los terremotos, es posible que el contrapeso se salga de sus guías; con un ascensor que viaja a alta velocidad, esto puede ser un gran desastre. Para protegerse contra esto, un detector de desplazamiento, como el que se muestra en el dibujo, detendrá el elevador cuando el anillo sensor del contrapeso toque el cable sensor.

Rebote de contrapeso (dispositivo antirrebote)

En los últimos años, ha habido mucha preocupación por las fuerzas que se desarrollan cuando los paracaídas funcionan en ascensores de gran altura, provocando un considerable rebote del contrapeso. Actualmente, los diseñadores están trabajando para encontrar una solución a este grave problema, principalmente con instalaciones sin compensación por confinamiento. 

Amortiguadores montados debajo del contrapeso 

La adición de amortiguadores de aceite en la parte inferior de los contrapesos dio peso adicional al contrapeso; esto, a su vez, redujo el peso de los rellenos a utilizar por el peso del conjunto amortiguador. La gravedad hizo que el búfer se reiniciara cuando el contrapeso se movió hacia arriba fuera de la parada en boxes.

Paracaídas en Contrapesos

La adición de equipo de seguridad a los contrapesos a menudo se requiere para adaptarse a las siguientes emergencias: para evitar que los automóviles se desboquen y para evitar la caída libre del contrapeso en caso de falla de la suspensión. En función de la velocidad contratada, los paracaídas pueden ser de tipo instantáneo, deslizante o de colchón de aceite. 

El paracaídas de cuña sobre contrapeso provoca un gran problema en cuanto a la puesta a cero del equipo después de haberlo puesto en funcionamiento. Un método para superar este problema es tener el tambor de cuerda con una cuerda saliendo de cada lado; es decir, un cable en la parte superior del tambor que tira del paracaídas sobre los raíles y el otro cable en la parte inferior a la vez que enrolla sobre el tambor. Para soltar el paracaídas, el mecánico puede entrar en el foso y tirar de la cuerda que conecta con el fondo del bidón. Esto desenrollará el paracaídas y, al mismo tiempo, restablecerá la cuerda de accionamiento superior. Esta disposición puede liberarse si los medios de suspensión han fallado, pero si se libera completamente, el contrapeso descenderá a una velocidad excesiva, provocando la actuación del limitador y rearmando el paracaídas. 

Equipo de seguridad dúplex

El espacio disponible en los huecos de los ascensores suele estar limitado en la vista en planta, aunque, en la mayoría de los casos, la elevación no es tan restrictiva. Para ascensores grandes que requieren la instalación de paracaídas en el contrapeso, el paracaídas estándar puede ser demasiado grande en las dimensiones en planta. Aquí es donde se puede colocar el paracaídas dúplex: un marco de contrapeso equipado con dos bloques de seguridad en cada extremo. Este tipo de paracaídas se reinicia moviendo el coche en sentido ascendente. Normalmente, los bloques de paracaídas son de igual capacidad, pero si se utilizan pares de diferente capacidad, se debe instalar el de mayor capacidad en la parte inferior del marco del contrapeso.

Cambio de relación de cuerdas de contrapeso para adaptarse a las bases del edificio 

Los cimientos de los edificios a menudo han causado grandes problemas al instalador de ascensores. Por ejemplo, cuando se excavó un pozo en particular, se encontraron grandes cimientos que no se pudieron quitar. Estas obstrucciones estaban debajo del camino del contrapeso, lo que reducía el recorrido requerido. Al amarrar el contrapeso 2:1 y dejar el auto en 1:1, se resolvió el problema. 

Esta solución tiene algunos inconvenientes en el sentido de que ahora se requiere que el contrapeso tenga el doble del peso requerido anteriormente debido al cableado 2:1, pero solo recorre la mitad de la distancia del automóvil. 

Accesorio de cuerda o cadena de compensación

Tras el aumento de la altura de los edificios, la compensación de cadenas fue seguida por la compensación de cuerdas. Esto requirió entonces que se unieran cuerdas de compensación al contrapeso. Inicialmente, las cuerdas se conectaban a la parte inferior del contrapeso, pero como esto requería una mayor profundidad del foso, las cuerdas se conectaban a la cara del contrapeso. Esto redujo la profundidad del foso pero aumentó la distancia entre el automóvil y el contrapeso. Algunos fabricantes empotraron los accesorios de la cuerda de compensación en la cara frontal del contrapeso. Se tuvo que tener cuidado con la ubicación de las zapatas guía para minimizar las cargas de las zapatas; dependiendo de la altura del edificio, la carga sobre los zapatos cambió del peso de las cuerdas de compensación; esto se compensó en parte moviendo la línea central de la zapata más cerca de la línea central de la cuerda y permitiendo que el contrapeso se desplazara para proporcionar una carga de compensación.

Contrapesos para Efecto Arquitectónico

Hay una aplicación en Australia donde hay un gran orificio de visualización en el centro del contrapeso. Alrededor del interior del agujero hay luces que funcionan con un banco de baterías ubicado en la parte inferior del peso. Hay dos contactos con resorte en el peso para la conexión a una unidad de carga de batería cada vez que el ascensor se estaciona en un piso terminal. Debido al gran espacio que ocupa el orificio de visualización, el perímetro del peso es más largo de lo normal para proporcionar el peso necesario para el equilibrio.

Peso de tensión 

Los diseñadores pueden enfrentarse a una situación en la que la caída de un peso descontrolado podría tener efectos devastadores. Un ejemplo fue donde un pozo de ascensor estaba ubicado directamente sobre la tubería principal que suministra agua a una ciudad. Un segundo problema era que no había suficiente espacio en el hueco para un contrapeso equipado con paracaídas. Se utilizó un método de peso de tensión donde el peso estaba fuera de la línea del eje en el descanso superior y había una polea fija en el foso.

Contrapesos en Ascensores Hidráulicos Indirectos

La principal ventaja de una disposición de contrapeso de este tipo es reducir la potencia necesaria para elevar el coche completamente cargado. Se debe tener cuidado para asegurar que la mitad del peso, incluyendo el ariete y la polea, no sea excesivo (para cuerdas 1:2). Una guía aproximada es el 60% del peso del carro vacío; de lo contrario, el coche vacío no descenderá por sí solo. 

Relación de amarre para aplicaciones de servicio pesado

Las máquinas con cable 2:1, 3:1 y 4:1 permiten el uso de máquinas más pequeñas, pero a medida que aumenta la relación, la vida útil del cable se reduce debido a la cantidad de curvas inversas. 

La velocidad de la polea de la máquina puede ser muy alta cuando se utiliza un sistema de cuerdas 4:1 entre el contrapeso y la cabina.

Motor Lineal y Contrapeso

Los desarrollos anteriores del sistema de accionamiento de motor lineal colocaron el motor en la cabina del ascensor, lo que aumenta la carga sobre los cables y el eje de la máquina. A continuación, se añadió al contrapeso, lo que redujo la carga sobre los cables y la máquina. 

La última versión incluyó primero el freno en el contrapeso, luego propuso que, dado que los cables ahora son tan confiables, se podría prescindir del equipo de seguridad en la cabina del ascensor, ya que el freno del contrapeso podría detener y sostener el ascensor. 

La situación general con el motor lineal integrado en el contrapeso es la siguiente: 

Ventajas del motor lineal 

• No se requiere una máquina elevadora convencional. 
• No se requiere cuarto de máquinas, solo un cuarto de poleas en la parte superior del eje. 
• Sin polea de tracción para reducir la vida útil del cable. 
• Carga reducida en el edificio debido a la reducción del peso total del equipo. 
• El freno sobre contrapeso también se puede utilizar en lugar del paracaídas. 
• Dentro de ciertos límites, cuanto mayor sea el aumento, más rentable es el sistema. 
• Los requisitos de altura reducida del edificio pueden permitir dar servicio a otro piso en la parte superior del eje sin invadir las restricciones de altura del edificio. 

Desventajas del motor lineal 

• Ahora también se requieren cables de viaje para el contrapeso, con valores nominales de corriente para alimentar el motor lineal. 
• Se aumentan los requisitos de espacio de contrapeso. 
• Sin paracaídas en el ascensor, no se evita la caída libre de la cabina en caso de fallo de suspensión.
• El acceso al motor lineal no es fácil si algo falla, por ejemplo, se desarrolla energía o falla cuando el contrapeso está en el medio del eje y el carro no se puede mover para acceder al motor lineal. 
• La eficiencia del motor lineal es baja pero debería mejorar con I+D. 
• Puede ser difícil sostener el rotor del motor lineal en ascensores de gran altura.