Cómo los medios de suspensión afectan el diseño rentable y la eficiencia del espacio

Este componente es uno de los principales impulsores de la innovación de un paquete completo de ascensores.

Antes de la llegada de los ascensores modernos, los cables de elevación estaban hechos de fibras naturales y se usaban para levantar materiales, especialmente en áreas mineras. Dichos entornos eran muy duros y agresivos contra las fibras, provocando que se pudrieran rápidamente, dando lugar a roturas repentinas sin previo aviso. Por esa razón, uno de los factores clave para los medios de suspensión siempre ha sido la confiabilidad. El primer cable metálico fue inventado alrededor de 1834 por Wilhelm Albert, un ingeniero de minas alemán. Estos se utilizaron para minar en las montañas de Harz en Clausthal, Alemania. En ese momento, Albert estaba buscando un medio más confiable para inspeccionar periódicamente los cables y un tipo que durara más que los cables de fibra convencionales y las cadenas de izaje de minas de hierro de esa época, que habían demostrado ser poco confiables.

La primera cuerda metálica de acero trenzado estaba hecha de tres hebras con cuatro alambres cada una, sin núcleo. Con esta construcción específica, todos los cables eran visibles desde el exterior (Figura 1). Esto cambiaría la percepción de los usuarios sobre los cables de elevación.

Desde entonces, los cables de acero ganaron una rápida aceptación debido a su durabilidad y superioridad sobre los cables de fibra y las cadenas de hierro. No se estaban rompiendo de repente, ya que habría signos de desgaste si se llevaran a cabo inspecciones de forma rutinaria. Esto hizo posible programar el reemplazo del cable de elevación antes de la falla total.

Después de más de 180 años, la situación sigue sin cambios: los medios de suspensión a base de acero, en forma de cables, siguen siendo el principal elemento de suspensión de los ascensores en todo el mundo, y el concepto de "prever" la sustitución de los medios de suspensión. sigue siendo válido hoy.

Otro elemento en el diseño de ascensores es el uso eficiente del espacio dentro del hueco del ascensor, con la solicitud de tener máquinas más pequeñas que proporcionen una cabina más grande en las mismas dimensiones del hueco. A medida que las poleas de tracción se hacen más pequeñas, el motor se vuelve menos costoso y más liviano. El coste del motor y, en consecuencia, el peso, son directamente proporcionales al par generado. Este último requisito ha sido difícil de combatir hasta que se dispuso de tipos "alternativos" de medios de suspensión que permiten reducir el tamaño de las máquinas.

Reducir la relación de flexión y cubrir los medios de suspensión con un revestimiento de poliuretano (PU) traía consigo otro problema: la definición de criterios de descarte fiables, objetivos y reconocibles.

El objetivo de este artículo es dar una visión general sobre los temas anteriores sin entrar en un análisis profundo, pero señalando los conceptos principales mediante los cuales entender la aplicación y el efecto sobre el costo total de propiedad para los usuarios finales.

Tipos de medios de suspensión

Antes de comenzar a considerar las diferentes configuraciones de ascensores, conviene aclarar qué medios de suspensión están disponibles en el mercado. Más allá de los cables de acero convencionales, existen: cables de diámetro pequeño, cables recubiertos de PU y correas de acero recubiertas (CSB) (Figura 2).

Cada tipo de medio de suspensión tiene sus pros y sus contras que se evalúan aquí en términos generales. No existen reglas estrictas en la selección de un medio de suspensión sobre los demás, pero se deben establecer consideraciones basadas en la aplicación del ascensor, las condiciones ambientales y el análisis del tráfico, todos elementos conocidos por los diseñadores de ascensores. A continuación, se debe prestar atención al tamaño del motor y la eficiencia del espacio del hueco del ascensor. Hay algunas opciones para lidiar con las limitaciones de espacio mientras se ahorra en el costo del motor (Figura 3):

La forma más sencilla de reducir el par del motor es cambiar de suspensión 1: 1 a 2: 1. Esto ahorrará tamaño del motor, pero al mismo tiempo creará algunos inconvenientes en la complejidad mecánica del elevador completo (disposición I en la Figura 3). La segunda posibilidad es considerar medios de suspensión que permitan una relación de flexión reducida, D: d <40 (cables de acero de diámetro pequeño o cables recubiertos de PU). En este caso, el tamaño del motor podría reducirse sensiblemente y la eficiencia del espacio es bastante constante. Sin embargo, los cables de diámetro pequeño no están incluidos actualmente en EN 81-20 y requerirían que los fabricantes de cables de diámetro pequeño realicen una evaluación de riesgos y soliciten un certificado de declaración de un organismo de certificación reconocido. En el lado positivo, se está considerando incluir cables de diámetro pequeño en una futura actualización de EN 81-20 (disposición II en la Figura 3). Una tercera opción sería evaluar las CSB. En este escenario, se podría usar la polea de tracción más pequeña, lo que generaría enormes ahorros tanto en el costo del motor como en el aumento de la eficiencia del espacio. El inconveniente en este caso es que esta solución está patentada (disposición III en la Figura 3).

También vale la pena evaluar cuánto podría cambiar el tamaño de la cabina dentro de las mismas dimensiones del eje al optar por uno de los medios de suspensión alternativos (disposiciones II y III en la Figura 3). En la Figura 4, considerando que todas las partes mecánicas están asignadas a la parte trasera de la cabina, la ganancia de espacio de la cabina es fácilmente visible, con una reducción del 30-40% de la dimensión original L.

El supuesto reportado anteriormente podría traer, en ciertos casos, la posibilidad de instalar un ascensor para ocho personas donde antes solo era posible instalar un ascensor para seis personas. Además, donde hay un bloque de ascensores en edificios residenciales, esto podría hacer posible instalar un ascensor menos, pero proporcionar la misma capacidad de manejo de tráfico. El patrón de tráfico aún debe evaluarse de manera que no aumente demasiado el tiempo de espera frente a la puerta del rellano en la planta baja. Alternativamente, con el mismo número de ascensores y con la mayor capacidad de la cabina, la capacidad de manejo del tráfico podría incrementarse sensiblemente.

Todas las consideraciones aquí mencionadas son válidas en el caso de edificios de baja y media altura. Cuando se trata de proyectos de gran altura o aplicaciones de servicio pesado, se deben considerar otros elementos y están fuera del alcance de este artículo. Dependiendo de la necesidad del proyecto específico de baja o media altura, una consideración u otra podría traer ahorros que no estaban disponibles sin los medios de suspensión alternativos.

Definición de criterios de descarte

El desarrollo y la mejora de los medios de suspensión para ascensores siempre se han relacionado con el concepto original de inspección visual. Cuando llegaron al mercado las primeras aplicaciones para cables y correas de diámetro pequeño, la principal preocupación era cómo detectar de forma fácil y fiable los criterios de descarte.

En el caso de los cables convencionales, los criterios de descarte se basarán en inspecciones visuales: verificación de reducción de diámetro, conteo del número de roturas de alambre, identificación de puntos con deformaciones, detección de aparición de enrutado, etc. Esta regla de referencia se aborda en el Anexo E de ISO 4344, donde enumera los criterios de descarte para cables de ascensor en servicio. La Figura 5 es una extracción de esta regla donde informa el número de alambres rotos que debe desecharse el cable.

El número de cables rotos es un criterio de descarte, pero no el único. Puede haber casos en los que no haya alambres rotos, pero el cable debe desecharse: por ejemplo, debido a una reducción del diámetro superior al 6% del nominal. Además, las cuerdas se desecharán cuando exista polvo rojo que sobresalga de las hebras exteriores, lo cual es una clara señal de daño interno (fatiga por fricción o corrosión).

Es interesante notar la última línea de la tabla de ISO 4344, que informa que un solo cable roto en el valle entre una hebra y otra es un criterio para el descarte inmediato. Es muy importante que los inspectores de cables de acero conozcan este criterio, ya que dicha evidencia es una clara señal de que el cable está perdiendo la consistencia del núcleo y los hilos exteriores están muy apretados entre sí. Se debe realizar un análisis completo y profundo de la cuerda cuando esto suceda.

Cuerdas de diámetro pequeño y CSM

La primera tarea es identificar la parte más estresada de los medios de suspensión en la que buscar pruebas de descarte. Generalmente, esta porción está cerca de la polea de tracción, cuando la cabina está en el piso más frecuentado (típicamente la planta baja).

Considere una disposición de rizo en suspensión directa (1: 1) con una polea de tracción y una polea desviadora (Figura 6). En este caso, cuando la cabina se detiene en la planta baja, hay una parte de los medios de suspensión, L, que pasará a través de la polea de tracción y la polea desviadora tan pronto como la cabina comience su viaje hacia arriba. Considerando que, en un edificio residencial, casi el 80% de los viajes parten de la planta baja, existe una fuerte evidencia de que esta porción de los medios de suspensión será la zona más estresada en la que comenzarán a aparecer los criterios de descarte. Por este motivo, la inspección se iniciará desde este punto y luego se extenderá a otras partes y a los puntos en los que el medio de suspensión ingresa a los enchufes.

A pesar de la naturaleza del elemento de suspensión, independientemente de si está revestido, este principio tiene validez y se utilizará en términos generales. Obviamente, dependiendo de la disposición de rizo del elevador específico, la porción en cuestión será más corta o más larga, en función del número de poleas sobre las que se doblará el elemento con mayor frecuencia.

La inspección visual se realizará primero en una parte específica donde la deformación o las abrasiones superficiales podrían verse y señalarse por primera vez. Después de la inspección visual inicial, será el momento de hacer un análisis más profundo de los puntos identificados para ver si hay cables rotos visibles y si algún cable está perforando el revestimiento.

Deben seguirse las instrucciones de cuidado y mantenimiento proporcionadas por el fabricante del medio de suspensión, precedidas únicamente por lo que se indica en el Anexo E de la norma ISO 4344. En caso de duda, se debe buscar el consejo del fabricante o de una persona competente.

Suspensión significa estimación de vida residual

Para los medios de suspensión alternativos, se han desarrollado algunos enfoques nuevos: una definición de vida útil finita, un sistema de monitoreo con tecnología no destructiva o una combinación de los dos. Para definir el enfoque de la definición de vida útil finita, es importante crear una experimentación de laboratorio en la que se aborde una configuración para flexión simple e inversa. La Figura 7 muestra un ejemplo de configuración.

El medio de suspensión se probará en combinación con la polea de tracción y la polea de desviación esperadas, incluidos los detalles del diámetro y la forma de la ranura. La vida útil esperada en servicio se calcula a partir de la vida útil obtenida por cada elemento de la disposición de reeving utilizando una fórmula de combinación. Con base en este cálculo, se instalará un contador de viajes en el elevador para monitorear cuánto tiempo de vida residual quedará para el sistema en operación. La instalación del mostrador no debe ser un reemplazo directo de las comprobaciones visuales periódicas para garantizar que el sistema esté en condiciones de funcionamiento adecuadas. Factores ambientales u otros motivos no previstos podrían provocar daños en los medios de suspensión y llegar al punto de desecho.

El segundo método para monitorear la vida útil residual es mediante el uso de una metodología no destructiva como la magnetoinductiva, el flujo de corriente, visual con cámaras web o por otros medios. Como ejemplo, examinemos la prueba magnetoinductiva.

La elección de este tipo de análisis no se debe a que sea más adecuado que los demás, sino a que se utiliza mucho en campos similares como la minería y los teleféricos. La configuración consiste en un imán permanente que satura el trozo de cuerda bajo análisis. Esto significa que la cuerda se sumerge en líneas de flujo magnético orientadas axialmente. Cuando ocurre una interrupción de una sección, las líneas de flujo magnético se dispersan radialmente y son detectadas por las bobinas de detección (Figura 8).

La metodología magnetoinductiva es un tipo de examen evolutivo en el sentido de que la señal evolucionará tan pronto como la cuerda esté sujeta a un mayor desgaste. Los picos se acentúan cada vez más a medida que continúan la fatiga y la abrasión interna. Al evaluar las señales, se podrían sacar algunas conclusiones sobre el estado del cable y un experto podría juzgar la situación. Más importante aún, la parte de la cuerda más estresada se pone en evidencia, en este caso, con bastante facilidad, y se debe realizar una verificación visual de esta sección.

Es importante hacer un análisis en el momento de la instalación y luego repetir el análisis año tras año para ver la trayectoria de evolución del diagrama. En algunos casos, este dispositivo podría instalarse permanentemente en el ascensor para monitorear la situación en tiempo real y enviar un aviso a la empresa de mantenimiento cuando sea necesario realizar una inspección en profundidad. Esto nos lleva al tema del mantenimiento predictivo que podría integrarse con los medios de suspensión en este punto.

Uso de medios de suspensión para realizar tareas de mantenimiento predictivo

Veremos ahora cómo aprovechar los sensores instalados alrededor de los medios de suspensión para obtener información para abordar el mantenimiento predictivo en el campo. Esto pronto se hará realidad en la industria. Un conjunto básico de sensores podría eventualmente estar compuesto de la siguiente manera:

• Un acelerómetro triaxial: instalado en la cabina, este detectará todas las vibraciones relacionadas con el recorrido del ascensor.
• Un dispositivo de pesaje de carga: este sensor detectará la carga en la cabina y también puede evaluar la variación vertical durante el viaje causada por el rebote o la fricción de la guía.
• Un dispositivo de prueba no destructivo: instalado cerca de la polea de tracción, tal dispositivo puede monitorear la evolución del desgaste de los medios de suspensión en tiempo real. Esto podría basarse en cualquier tecnología (por ejemplo, magneto-inductivo, pulso de corriente, cámaras web, etc.).
• Una pasarela: para transmitir la información recopilada a una nube remota donde un algoritmo específico analizará la situación para sacar conclusiones sobre la calidad del viaje y eventuales anomalías

El caso analizado es uno en el que el sensor del acelerador triaxial está instalado en la cabina y está detectando alguna vibración proveniente de los medios de suspensión, aunque la causa raíz pueda provenir de otra parte del sistema del ascensor. Basado en el análisis de frecuencia y la medición del tiempo en la señal registrada, the source del problema se puede determinar. Por lo tanto, la empresa de mantenimiento puede programar una visita al sitio sabiendo dónde buscar, trayendo las piezas de repuesto adecuadas para el reemplazo.

Desarrollar un algoritmo que comprenderá la causa raíz de la vibración detectada es un proceso desafiante, pero no imposible si se ha llevado a cabo la experimentación adecuada.

Uso de medios de suspensión

Los medios de suspensión están sujetos a un uso progresivo. Si el análisis de frecuencia puesto en evidencia muestra que la vibración vertical ha aumentado ligeramente durante un período de tiempo específico y luego experimenta repentinamente un pico en correspondencia con el aumento del nivel de tráfico, una verificación visual de los medios de suspensión debe ser la primera tarea realizada. Es probable que no se presenten criterios de descarte visibles. Al medir el rebote vertical a lo largo del tiempo, podemos entender que la cuerda está bajo fatiga antes de que contribuya a la incomodidad de la conducción.

Vibración causada por la masa giratoria

Un escenario completamente diferente es si la frecuencia de la vibración se relaciona con la amplitud periódica que de alguna manera está correlacionada con la velocidad de desplazamiento. En este caso, las poleas son los principales elementos a investigar para comprender si los fenómenos son causados ​​por rodamientos de rodillos o por alguna otra singularidad de la masa rotatoria.

Tensión igual en medios de suspensión

Otra posible fuente de vibración podría ser el conjunto de cuerdas que pierden la misma tensión. En este caso, la frecuencia tiene algún parámetro de causalidad pero en correspondencia con una ubicación específica de la cabina en el hueco.

Efectos de los parámetros del inversor

Otras vibraciones que afectan la comodidad de conducción se pueden atribuir a los parámetros del inversor al pilotar el motor. En este caso, es evidente que las vibraciones en la cabina se amplifican durante la aceleración y / o desaceleración. Otro elemento que podría traer alguna variación aquí es el nivel de carga presente en la cabina bajo tales condiciones.

Conclusiones sobre los efectos de los medios de suspensión

Como se describió anteriormente, al ver vibrar el medio de suspensión, pudimos entender que no necesitaríamos centrar nuestra atención en el medio de suspensión en sí. Al analizar el espectro específico de la frecuencia de vibración, podemos obtener una mayor caracterización de los fenómenos y buscar la causa raíz de otros elementos del sistema de ascensores.

Conclusiones

Este artículo debería haber puesto de manifiesto cómo los medios de suspensión pueden contribuir al diseño general de un sistema completo de ascensores y de qué manera pueden cooperar con una operación segura y evaluaciones predictivas. Además, en condiciones específicas, la selección de los medios de suspensión adecuados para la aplicación adecuada podría influir en el costo total de propiedad y la gestión del tráfico del edificio.

Un diseñador inteligente comenzará su propia evaluación, teniendo en cuenta las opciones que los medios de suspensión alternativos podrían aportar a sus configuraciones.

Este análisis se ha limitado a unos pocos aspectos sin entrar en demasiados detalles de los casos de ingeniería. Hay mucho más por analizar, y los medios de suspensión son uno de los principales impulsores de la innovación de un paquete de ascensor completo.

Nicola Imbimbo es el gerente de Aplicaciones Globales de la Unidad de Negocios de Elevadores y Escaleras Mecánicas de Prysmian Group. Comenzó su carrera en la industria del transporte vertical (VT) como aprendiz en su empresa familiar, Imbimbo Ascensori, que en ese momento era un distribuidor de ascensores FIAM. Obtuvo una licenciatura en ingeniería mecánica del Politécnico de Turín en 2001 con una tesis experimental dedicada al control no destructivo de cables de acero. Después de graduarse, Imbimbo se desempeñó como ingeniero de diseño en un fabricante internacional de ascensores especiales. Antes de unirse al Grupo Prysmian en 2011, Imbimbo trabajó como ingeniero de aplicaciones técnicas con algunas empresas internacionales líderes involucradas en la producción de cables de acero para levantar y transportar personas. 

Imbimbo es miembro activo de grupos de trabajo internacionales para la normalización técnica del sector del ascensor y ha publicado numerosos artículos y pronunciado ponencias en foros dedicados a la FP. Es coautor de algunos libros dedicados al diseño de ascensores y la formación técnica y ha formado a operadores, técnicos e inspectores de toda Europa en sistemas basados ​​en cables diseñados para la elevación y el transporte de cargas y personas.

En su tiempo libre, imparte cursos de formación para la industria del ascensor como consultor independiente y participa activamente en las plataformas de redes sociales donde publica contenido relacionado con los sectores de ascensores y escaleras mecánicas. Imbimbo también es el creador del personaje “Nic The Elevator Guy®”.