Diseño y desarrollo de máquinas elevadoras de alta velocidad

Una investigación sobre la vida útil de las cuerdas y el fallo de los cojinetes

Palabras clave: Ascensores de alta velocidad, Motor magnético permanente (PM), Par motor, Tamaño del motor, Diámetro de la polea motriz D, Diámetro de los cables d, Relación entre D y d, Desgaste, Fallo de cojinetes, Número de cables, Peso de los cables de suspensión, Peso de los cables de compensación

Resumen

En la actualidad, en los ascensores situados encima de la sala de máquinas se utilizan ampliamente motores de imanes permanentes (PM), en lugar de máquinas con engranajes de CA o máquinas sin engranajes de CC. El tamaño de un motor de imanes permanentes está determinado por el par que se le aplica, como Par = Fuerza motriz x Radio. Para minimizar el par y, por lo tanto, reducir los costos de fabricación, el radio de la polea motriz debe ser lo más pequeño posible.

Tradicionalmente, el diámetro de la polea se basa en la norma para cables de acero, que exige que sea al menos 40 veces el diámetro del cable (d). Sin embargo, el código y la norma son el requisito mínimo de seguridad más que de calidad, para tener una calidad aceptable para los ascensores, para unidades de mediana o gran altura, la relación entre D y d debe ser mayor.
que 40.

La vida útil máxima de los cables y el diámetro mínimo de la polea motriz, el peso máximo de los cables (incluidos los cables de compensación) y el diámetro mínimo de la polea son dos pares de contradicciones. Si se aplica D/d=40 para todos los ascensores, se producirán problemas graves. Por lo tanto, el autor ofrece algunas sugerencias con respecto a D/d:

1. Fondo

El artículo de su autor Diseño y desarrollo de elevadores MRL se publicó en ELEVATOR WORLD en agosto de 2020 y EW Middle East en el cuarto trimestre de 4 (en inglés y árabe).

Dado que el diseño de ascensores sin sala de máquinas (MRL) se basa en el motor de imán permanente, es imprescindible seleccionar el motor de imán permanente adecuado como primera consideración. Por ello, he llevado a cabo una gran cantidad de investigaciones sobre motores de imán permanente desde 2004; los puntos clave para seleccionar los motores de imán permanente son:

• El tamaño del motor PM está determinado por el torque aplicado en lugar de la potencia.
• La potencia del motor PM es variable en la zona de velocidad efectiva (Figura 7) a diferencia del motor de CA convencional.
• En comparación con un motor PM convencional tipo lápiz, un motor PM de disco/plano es siempre la primera opción para el diseño de ascensores MRL.

Además, el autor ha tenido la experiencia de presentar algunas licitaciones en las que se utilizaron soluciones de ascensores MRL para ascensores con sala de máquinas encima. Para reducir los costes al mínimo, se debe prestar especial atención a los ascensores con “sala de máquinas pequeña” para edificios de mediana altura. Simplemente mover la máquina de un ascensor MRL fuera del hueco a la sala de máquinas para construir un ascensor con sala de máquinas encima no es aceptable.

La figura 2 es una presentación de licitación para un ascensor de servicio de 2500 kg en un edificio de oficinas de 18 pisos. Las especificaciones requieren que el ascensor tenga una velocidad de 1.6 m/s, y la máquina debe ser de estilo plano con un diámetro mínimo de la polea motriz D/diámetro del cable d no menor a 45, y el cableado debe ser de 2:1. Pero la presentación de licitación era que la máquina tenía D/d=40 con un cableado de 4:1 a una velocidad máxima de 1.0 m/s.

2. Los problemas 

Su autor fue invitado a investigar un problema con los ascensores de pasajeros en un hotel de lujo en China en marzo de 2024. La altura del recorrido es de 330 m, y los cuatro ascensores de pasajeros de 1600 kg, con una velocidad de 10 m/s, ya habían tenido dos reemplazos de cables desde que el hotel abrió 14 años antes. 

Además de esto, me dijeron que no sólo las poleas motrices estaban muy desgastadas, sino que también los cojinetes de las máquinas habían sido reemplazados al menos una vez en menos de una década. Además, algunos de los ejes de las poleas motrices estaban seriamente dañados debido a fallas en los cojinetes.

El diámetro de los cables, d=19 mm, se encontró en la placa de identificación de las máquinas y el número de cables era 10. Las poleas de transmisión tienen un diámetro D= 900 o 760 según el manual de operación y mantenimiento, pero debería ser 760 mediante medición visual. De ser así, D/d=760/19=40, lo que cumple con el requisito mínimo del código y la norma.

En cambio, había dos ascensores de servicio con la misma capacidad, pero la velocidad era de 7 m/s. Tenían exactamente las mismas máquinas, pero el número de cables era nueve en lugar de diez. Esos dos ascensores de servicio estaban muy ocupados, funcionaban todo el tiempo todos los días, pero no tenían los problemas mencionados anteriormente. 

Comprobando los datos de otros fabricantes de ascensores, el fabricante A tiene un ascensor de 1600 kg con una velocidad de 10 m/s, utilizando nueve cables d16 y la polea motriz tiene un diámetro D=900mm, D/d=900/16=56.25. Alternativamente, el fabricante B tiene un ascensor de 1600 kg con una velocidad de 10 m/s, utilizando 10 cables d16. La polea motriz tiene un diámetro D=860mm, D/d=860/16=53.75. A partir de aquí, se puede ver: Si D=900, el diámetro del cable d=16 mm con nueve cables es la mejor opción, ya que el peso total de los cables es el menor.

De la figura 3, la cuerda d16 tiene una masa de 1.03 kg/m. Si la altura del recorrido es de 330 m, incluidas las cuerdas de compensación, el peso total de las 10 cuerdas d16 es de 6798 kg y el peso total de las nueve cuerdas d16 es de 6118 kg.

La cuerda d19 tiene una masa de 1.45 kg/m. Si la altura del recorrido es de 330 m, se incluyen las cuerdas de compensación. El peso total de las 10 cuerdas d19 es de 9570 kg. El peso total de las nueve cuerdas d19 es de 8613 kg; la diferencia (el peso de una sola cuerda) es de 957 kg.

La diferencia entre 10 de las cuerdas d19 y 10 de las d16 es 9570 kg - 6798 kg = 2772 kg. Como las cuerdas están envueltas dos veces, las cargas estáticas causadas por las 10 cuerdas d19 en la polea motriz son 4026 kg mayores que las de 10 cuerdas d16. La carga estática causada por las 10 cuerdas d19 en la polea motriz es 6904 kg (casi 7 t), mayor que nueve de las cuerdas d16.

3. Las razones 

El ascensor MRL es consecuencia de la innovación de los motores de imán permanente. Hoy en día, los motores de imán permanente, en lugar de las máquinas con engranajes de CA o las máquinas sin engranajes de CC, se utilizan ampliamente en los ascensores situados encima de la sala de máquinas. Aunque el motor de imán permanente es pequeño, puede producir un par elevado para accionar directamente la cabina y el contrapeso a través de los cables en un rango de RPM efectivo de una milésima a una 100 milésima, frente a las 10 milésimas a 1,000 milésimas de la velocidad de rotación nominal de los motores inductivos tradicionales, con una fuente de alimentación de CA de 50 Hz. Por lo tanto, la caja de cambios se puede quitar de la máquina del ascensor. 

Características del motor PM 3.1 

T = BLR2πRA = 2BA(πR²L) = 2BAV^{[ 1 ]}

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 equivalente del motor de longitud X L). 

Debido a la saturación magnética, la intensidad del campo magnético no se puede aumentar infinitamente. Para aumentar el par, solo hay dos formas disponibles: aumentar el diámetro del motor y/o aumentar la longitud del motor. Es por eso que los motores de imán permanente generalmente se hacen planos (delgados pero con un diámetro grande) para obtener el par más alto posible. Otro propósito de un rotor de diámetro grande es obtener una relación mayor entre el rotor y la polea motriz, como se muestra en la Figura 12. 

Como el par es proporcional al cuadrado del radio, es imperativo comenzar con un motor PM (plano) al diseñar ascensores MRL.

3.2 Relación entre D/d y la vida útil de la cuerda 

F = T/r 

donde F = fuerza motriz, T = par y r = radio de la polea motriz. Una forma de tener suficiente F es hacer que el radio de la polea motriz sea lo más pequeño posible. Sin embargo, de acuerdo con el código y la norma para ascensores, la relación entre el diámetro de paso de las poleas, poleas o tambores y el diámetro nominal de los cables de suspensión debe ser al menos 40, independientemente del número de hebras de los cables de suspensión. 

Con un motor de imán permanente de tipo lápiz, D debe ser lo más pequeño posible, por lo que algunos fabricantes de ascensores han optado por utilizar correas en lugar de cables para accionar la cabina y el contrapeso. Es importante tener en cuenta que D/d debe ser al menos 45; de lo contrario, los cables se desgastarán muy rápidamente, posiblemente reduciéndose a menos de dos años para un ascensor muy concurrido. 

Los resultados de los cálculos de diferentes (diámetro de la polea motriz D)/d (diámetro del cable) utilizando una calculadora de ciclo de vida del cable suministrada por PFEIFER Drako:

• Cuando D = 320 mm, d = 8 mm y D/d = 40, ciclo de vida promedio = 542,000 XNUMX.
• Cuando D = 360 mm, d = 8 mm y D/d = 45, el ciclo de vida promedio = 1,393,000 (2.57 veces el del punto 1 anterior).
• Cuando D = 400 mm, d = 8 mm y D/d = 50, el ciclo de vida promedio = 2,011,000 (3.71 veces el del punto 1 anterior).
• Cuando D = 480 mm, d = 8 mm y D/d = 60, el ciclo de vida promedio = 3,526,000 (6.5 veces el del punto 1 anterior).
• Existen muchos ascensores MRL en edificios residenciales de poca altura en Europa para los que D/d = 40 puede ser aceptable. Como las máquinas de los ascensores MRL modernos normalmente utilizan motores de imanes permanentes, algunos fabricantes pueden utilizar D/d lo más cerca posible de 40. En ese caso, se debe prestar especial atención al cálculo del ciclo de vida del cable, especialmente en el caso de ascensores que se instalen en edificios de oficinas.

4. Soluciones

El autor de este artículo fue consultor en un proyecto de oficinas de 20 pisos en el pasado. El diámetro de la polea motriz era D=600 mm, el diámetro de los cables d=13, por lo tanto, D/d=600/13=46.15. La capacidad era de 2500 kg a una velocidad de 3.5 m/s con una relación de cableado de 2:1. La vida útil de los cables era la mayor preocupación en ese momento. Finalmente, el contratista del ascensor aceptó que el mantenimiento integral incluiría una garantía de vida útil de los cables de 10 años.

En este caso, no es posible sustituir la máquina. Como el cableado tiene doble envoltura, tampoco es posible utilizar cables planos de fibra de carbono en lugar de cables redondos de acero. Por lo tanto, la única solución viable es reducir la velocidad de 10 m/s a 7 m/s con nueve cables. 

Sin un análisis de tráfico adecuado, solo a partir de la experiencia del autor, los cuatro ascensores de pasajeros de 1600 kg a 7 m/s que sirven a los pisos del hotel en la parte superior del edificio de uso mixto deberían ser lo suficientemente buenos, y el rendimiento debería poder cumplir con los criterios de diseño.

5. Los dos tipos de máquinas de ascensor     

Como el autor tuvo que buscar información sobre el diseño de máquinas elevadoras de alta velocidad, se aprendieron muchas lecciones de esta investigación, especialmente sobre los tipos de motores PM: se utilizan dos tipos de máquinas eléctricas en diversas aplicaciones; son las máquinas de imán permanente de flujo radial (RFPM) y las máquinas de imán permanente de flujo axial (AFPM), cada una con sus propias ventajas y desventajas.

Ventajas de la máquina RFPM

1. Alta densidad de potencia: Pueden generar más potencia en un volumen menor, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde el espacio es limitado.
2. Tecnología madura: Las máquinas RFPM se han utilizado durante más tiempo y son una tecnología más madura, lo que significa que existe una cadena de suministro bien establecida para los componentes y un mayor cuerpo de conocimiento disponible para el diseño y la optimización.
3. Menor costo de fabricación: en algunos casos, las máquinas RFPM pueden ser menos costosas de fabricar en comparación con las máquinas AFPM, especialmente para aplicaciones de menor potencia.
4. Alta eficiencia: Las máquinas RFPM pueden alcanzar altos niveles de eficiencia, especialmente cuando están optimizadas para aplicaciones específicas.

Desventajas de la máquina RFPM

1. Mayor peso
2. Menor densidad de par: Es posible que se requieran dimensiones mayores para lograr la misma salida de par.
3. Opciones de enfriamiento limitadas: enfriar el rotor de una máquina RFPM puede ser más complicado en comparación con las máquinas AFPM, lo que puede generar problemas de gestión térmica en aplicaciones de alta potencia.

La fórmula básica para la velocidad de un motor de CA es: RPM = 120*F/P. F es la frecuencia de suministro eléctrico en hercios (Hz) y P es el número de polos del motor. La velocidad máxima de un motor de imán permanente con una fuente de alimentación de CA de 50 Hz se puede considerar como la velocidad nominal o de referencia. La potencia de un cuerpo giratorio se puede expresar como P = T ω, T = par o “momento” (Nm), ω = velocidad angular (red/s) (Figura 7) y la potencia de salida es constante; por lo tanto, el rango de efecto de un motor de imán permanente es de una a 100 milésimas de la velocidad nominal (por debajo de 50 Hz).

Ventajas de las máquinas AFPM

1. Diseño compacto: puede ser ventajoso en aplicaciones donde el espacio es limitado o donde la reducción de peso es fundamental.
2. Mayor densidad de torque: Pueden lograr una mayor salida de torque en un paquete más pequeño.
3. Enfriamiento eficiente: La disposición axial de la trayectoria del flujo en las máquinas AFPM permite un enfriamiento más eficiente.
4. Instalación flexible: Las máquinas AFPM se pueden integrar fácilmente en varias configuraciones, lo que puede simplificar la instalación y reducir los requisitos de mantenimiento.

Desventajas de las máquinas AFPM

1. Mayor costo de fabricación
2. Cadena de suministro limitada: la cadena de suministro de componentes específicos para máquinas AFPM puede no estar tan bien establecida como la de las máquinas RFPM, lo que puede generar plazos de entrega más largos y costos más altos para componentes especializados.
3. Diseño complejo: El diseño de máquinas AFPM requiere una cuidadosa consideración de factores como las trayectorias de flujo magnético y los canales de enfriamiento.  

Además de los motores de imán permanente de flujo axial, un experto chino le hizo una pregunta al autor: “Para esos ascensores de dos pisos de 2250 kg/2250 kg a una velocidad de 10 m/s, ¿por qué la máquina de un fabricante tiene un peso de 7500 kg, mientras que las máquinas de sus competidores normalmente tienen un peso de al menos 15,000 XNUMX kg?” Mi respuesta fue que la máquina tiene motores de imán permanente de flujo axial de doble lado en lugar de motores de imán permanente de flujo radial de un solo lado. 

En realidad, consultando el folleto de ventas del fabricante, los ascensores de dos pisos de 2250 kg/2250 kg a 10 m/s con una potencia de salida de 330 kW y D=1200 mm, el peso es de 6150 kg en lugar de 7500 kg. Los cables son de 14 X d18, 13 x d19 mm o 12 X d22. Creo que 13 X d19 es la mejor opción, donde D/d=1200/19=63.15.

6. Conclusión

El autor considera que los cables de acero planos, los cables de fibra de carbono y las máquinas elevadoras de flujo axial serán la dirección del desarrollo de productos para ascensores de alta velocidad en el futuro a corto plazo. De esta investigación sobre la vida útil de los cables y las fallas de los cojinetes, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• Como el peso total de los 10 cables d19 (incluida la compensación) es de 9570 kg, es decir, 5.98 veces la capacidad de 1600 k, reducir la capacidad de 1600 kg a 1350 kg solo permitirá reducir el peso total de todo el conjunto en 250+0.5X250=375 kg. Esto no ayudará a mejorar la vida útil de los cables ni de los cojinetes. 
• Los fabricantes de ascensores no tenían las máquinas adecuadas para ascensores de pasajeros de un solo piso que funcionaban a 10 m/s. Como resultado, “se utilizó un perro para tirar de un carruaje tirado por caballos” (Figura 1). 
• Si se utiliza una máquina de menor potencia para el ascensor con una velocidad de 10 m/s, para tener suficiente fuerza motriz como (F=T/r), el diámetro de la polea motriz tendrá que ser lo más pequeño posible, es decir, no 900 mm, sino 760 mm. De lo contrario, se habría utilizado un cable de 9 x 16 para las máquinas. 

• Como una polea motriz de 760 mm de diámetro tiene una longitud de contacto más corta que una de 900 mm de diámetro para los cables d16, la fricción no será suficiente. Como resultado, el diámetro del cable deberá aumentarse a d19 en lugar de d16, pero 10 cables d19 aumentarán considerablemente el peso de los cables (incluida la compensación); por lo tanto, los cojinetes se sobrecargaron gravemente. Además, como D/d es igual a 40, es muy probable que los 10 cables d19 se desgasten en cinco años.
• La velocidad de 10 m/s es un 42.8 % más rápida que la de 7 m/s, junto con el aumento de la velocidad y el peso excesivo del cable. El tiempo de aceleración y desaceleración un 42.8 % más largo provocará que los cojinetes fallen en unos pocos años. Por otro lado, la velocidad de 10 m/s puede estar fuera del rango de velocidad efectiva de la máquina PM de 7 m/s (Figura 7).  
• La mayor desventaja de la máquina de flujo axial es el costo de fabricación como resultado de la cadena de suministro limitada. Sin embargo, en comparación con el enorme beneficio que aportan las máquinas elevadoras de alta velocidad, el costo adicional puede ignorarse. Por otro lado, la tecnología de la máquina de flujo axial está bien establecida y la patente de la máquina elevadora de flujo axial (Figura 12) había expirado desde 2016, por lo que se espera que los costos de fabricación de las máquinas de flujo axial sean cada vez más bajos.

La máquina elevadora de envoltura simple de flujo axial es la primera opción para ascensores de alta velocidad, especialmente para ascensores de dos pisos, porque son más simples en construcción y el peso de la máquina es menos de la mitad de la máquina de flujo radial tradicional. 

Cuando la altura del recorrido es superior a 500 m, se debe considerar seriamente la máquina elevadora de flujo axial l con cables livianos de fibra de carbono.

7. Notas del autor 

Los códigos y normas son el requisito mínimo de seguridad, no de calidad. Para los fabricantes de ascensores (como el de la Figura 2), no es aceptable simplemente cumplir con el requisito mínimo de seguridad para suministrar sus productos al mercado.

El requisito mínimo de seguridad es una D/d de al menos 40, pero no es adecuada para todos los ascensores. Por lo tanto, el autor ofrece algunas sugerencias:

• Cuando la velocidad de un ascensor sea inferior a (incluido) 1.6 m/s, se permitirá un mínimo de D/d de 40.
• Cuando la velocidad sea mayor que (incluido) 2 m/s e menor que (incluido) 3.5 m/s, D/d será al menos 45.
• Cuando la velocidad de un ascensor sea mayor que (incluido) 4 m/s pero menor que (incluido) 7 m/s, la D/d deberá ser al menos 50.
• Cuando la velocidad de un ascensor sea superior a (incluido) 8 m/s, D/d será al menos 55. 
• El coeficiente de fricción entre los cables de acero y la polea motriz de hierro es típicamente de 0.15 a 0.3 y es muy estable. Pero el coeficiente de fricción entre las correas de acero revestidas no solo es muy amplio (0.176 a 0.784).^{[ 6 ]} Además, cuanto más tiempo esté en servicio, mayor será el coeficiente. Esto provocará una sobretracción. Se cree que los cables no metálicos tienen un coeficiente de fricción similar al de las correas de acero con paso de rueda. Es por eso que se utiliza metal con metal para la fricción como fuerza de tracción en el transporte vertical (VT). Cuando la cabina del ascensor sube a alta velocidad pero se produce una parada de emergencia, si la fricción es demasiado grande, los cables no metálicos y la polea motriz tendrán poca fricción de deslizamiento. Esto provocará una gran fuerza para detener el contrapeso al descender. Como el impulso F×Δt=M×(V2-V1), debido a que Δt es demasiado corto, F será muy grande y provocará grandes problemas en todo el sistema. Es por eso que su autor piensa que los cables ultraligeros no son viables para ascensores de alta velocidad. Sin embargo, poner ABS (sistemas de frenos antibloqueo) en los frenos de la máquina del ascensor podría ser una solución.

Referencias

[ 1 ] Diseño y desarrollo de elevadores MRLELEVATOR WORLD Número de agosto de 2020 y EW Middle East en Q4 2020. 

[2] Una revisión sistemática sobre la investigación y los desarrollos actuales en máquinas de imanes permanentes de flujo axial sin núcleo - Habib - 2022 - IET Electric Power Applications - Wiley Online Library

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

[4] Folleto de ventas de KONE 

[5] MANUAL DE INSTRUCCIONES THYSSENKRUPP DRIVE DAB530 Descargar PDF | ManualsLib

[6] Informe de investigación e informe de evaluación técnica sobre el accidente con lesiones por falla del ascensor “8.26” en la comunidad internacional Zhong-Fang Ruizhi, distrito de Fu-Rong.

[7] Linkedin.com