Ascensores sin cuerdas: ¿cuántos ejes y carros se necesitan?

Sus autores establecen principios de diseño de tráfico y describen estrategias de modelado y despacho relacionadas con sistemas futuros.

por Stefan Gerstenmeyer y el Dr. Richard Peters

Este artículo se presentó por primera vez en el Quinto Simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas, www.liftsymposium.org.

Una nueva generación de ascensores actualmente en desarrollo aplica propulsión lineal magnética y no necesita cuerdas. Los ejes se comparten y los ascensores se mueven en dos o más dimensiones. Los edificios más altos y más densamente poblados se acomodarán agregando más automóviles, pero no necesariamente más huecos. Los ingenieros que planifican las instalaciones de ascensores necesitan nuevas formas de evaluar la capacidad de manipulación y la calidad del servicio proporcionado por los ascensores sin cables. En este artículo, se establecen algunos principios de diseño de tráfico aplicando cálculos sencillos de tiempo de ciclo. Por ejemplo, las aplicaciones de elevación de lanzadera se consideran y comparan con las soluciones actuales con cables. La mejora de los cálculos del tiempo de ciclo requiere el desarrollo de estrategias de despacho, el modelado de los requisitos de distancia de seguridad y modelos de simulación de tráfico. Se presentará una descripción general del progreso en estas áreas.

El número de elevadores con cuerdas en los sistemas de elevación conocidos se limita a uno o dos vagones en un hueco, ya que las cuerdas de suspensión del vagón inferior deben desviarse alrededor del vagón superior. [1] Poner más de dos carros en un hueco es limitado debido al espacio que necesitan las cuerdas. Además, la eficiencia en el manejo del tráfico se ve limitada al colocar más de dos autos en un hueco, ya que se vuelve más difícil para todas las cabinas dar servicio a los pisos de la entrada principal. El uso de un eje para el recorrido ascendente y descendente significa que los automóviles deben esperar hasta que todos los automóviles necesiten invertir su dirección de desplazamiento, lo que es una limitación para mejorar el rendimiento. Tener varios carros funcionando en al menos dos ejes circulando con un eje que se usa para viajar en la dirección ascendente y el otro eje para viajar en la dirección descendente permite mejoras en el rendimiento y un uso eficiente del eje. Un ejemplo temprano es el paternóster, que fue la primera realización de un sistema de elevación circulante. [2] La cadena continua, de circulación lenta, de cabinas abiertas, sin cabinas ni puertas de hueco, tiene limitaciones en el tiempo de viaje, la seguridad y el transporte de pasajeros discapacitados. Suponiendo una distancia de cabina a cabina de 3 m, una velocidad de aproximadamente 0.3 mps [3] y dos pasajeros por cabina, la capacidad de manejo de un paternóster es de aproximadamente 60 pasajeros por 5 min.

Para los sistemas de elevación multicar de circulación nuevos y seguros (MCLS), los motores lineales instalados en el eje que elevan múltiples autos individuales e independientes se encuentran entre las principales tecnologías habilitadoras. El concepto y la idea de un MCLS circulante con vehículos móviles independientes no es nuevo en la industria de los ascensores. [4] Se publicaron cálculos de tráfico simples de un sistema de ascensores circulantes basados ​​en supuestos técnicos, ya que había preguntas técnicas y económicas sin respuesta. [5] Se discutieron los desafíos técnicos del uso de ascensores sin cuerdas / contrapesos y las oportunidades en la eficiencia de los edificios para los sistemas de ascensores circulantes. [6] También se analizaron los sistemas avanzados de tráfico bidimensional que incluyen el movimiento horizontal de pasajeros [7 y 8].

En 2014, se dio a conocer un MCLS actualmente en desarrollo. [9] Diferentes innovaciones y soluciones técnicas resuelven desafíos técnicos para realizar un MCLS circulante. [10] Los motores lineales impulsan múltiples vehículos móviles independientes en múltiples ejes. Los diseños de cabina livianos para ocho pasajeros permiten un sistema económico. Un sistema de seguridad certificado, que incluye frenos de seguridad, garantiza que no haya colisión. Una solución de mochila guía los automóviles y permite que las unidades intercambiadoras muevan los automóviles entre ejes de manera horizontal. Este artículo examinará el análisis de tráfico de este sistema realista basado en cálculos de tiempo de ciclo simples y describirá las limitaciones del tiempo de ciclo.

Concepto de tráfico

Con los trenes interurbanos y el transporte urbano, existen diferentes sistemas de transporte horizontal y están vinculados entre sí como un concepto de transporte horizontal. En comparación con el transporte horizontal, un MCLS circulante debe encajar en el concepto de tráfico vertical de un edificio alto.

Un MCLS circulante se utiliza como un sistema de elevación de lanzadera entre los vestíbulos del suelo y del cielo dentro de un concepto de tráfico vertical. [10] Las unidades de intercambiador se instalan en los vestíbulos de tierra y los vestíbulos del cielo superior. La Figura 1 muestra ejemplos de cómo un MCLS circulante puede incluirse en un concepto de transporte vertical. Diferentes MCLSes (S1) sirven a los vestíbulos aéreos de diferentes zonas de construcción (zonas 1 y 2). El transporte local dentro de la zona del edificio puede ser proporcionado por sistemas de ascensores tradicionales, por ejemplo, sistemas sin cuarto de máquinas (L1 b) o por sistemas con dos carros independientes en un eje (L1 a). La última solución permite el tráfico directo entre zonas. Los MCLS con vestíbulos de doble suelo y vestíbulos de doble cielo (S2) permiten la carga simultánea de dos cabinas en un pozo. Los grupos locales se pueden realizar con sistemas de ascensores de dos pisos (L2 b) o con sistemas más flexibles con dos cabinas independientes en un solo hueco (L2 a). El transporte horizontal de pasajeros también es posible, pero no se considera en este artículo.

Tiempo de ciclo mínimo posible

El número de pasajeros que llegan a un vestíbulo específico que puede ser transportado por el MCLS dentro de un tiempo específico se puede calcular por el número de cabinas completas que salen. El tiempo entre dos coches posteriores es el tiempo de ciclo.

Tiempo del ciclo

El tiempo de ciclo en un MCLS es el tiempo entre la salida o la llegada de dos automóviles posteriores. También se puede definir como el tiempo entre dos coches sucesivos que pasan por una posición específica en el eje y viajan a la misma velocidad y en la misma dirección.

La figura 2 muestra las posiciones verticales a lo largo del tiempo de dos coches posteriores, D_VCar1(t) y D_VCar2(t). Ambos vagones viajan hacia arriba en el primer pozo, cambiando de pozo en el piso superior a 100 my viajando hacia abajo en un segundo pozo. Mientras que el vagón 1 ya ha cambiado al eje de dirección descendente, el coche 2 está llegando a 100 m en el eje de dirección ascendente. En el piso inferior, los autos están cambiando de eje nuevamente. Ambos coches se detienen en cada dirección en un piso intermedio en el nivel de 50 m. El tiempo entre los coches 1 y 2 es el tiempo del ciclo.

Para una mejor visión general, no se muestra la posición de los automóviles adicionales que viajan en el MCLS. Como el tiempo de ciclo mínimo posible está limitado por la distancia mínima durante un viaje completo de ida y vuelta de los coches, las situaciones críticas deben considerarse en detalle. Es obvio que solo un automóvil puede estar en una posición específica al mismo tiempo. Si los automóviles están viajando, cambian de posición continuamente, lo que hace que la posición esté disponible para el próximo automóvil. Si los automóviles están parados, solo un automóvil puede estar en esa posición durante el tiempo que el automóvil esté ubicado en esa posición. Para encontrar el tiempo de ciclo mínimo posible en un viaje de ida y vuelta completo, las paradas de los automóviles deben analizarse en detalle.

Restricciones de distancia de seguridad

Para definir el tiempo de ciclo mínimo posible entre automóviles en un MCLS, se deben considerar las restricciones de distancia de seguridad. Debe haber una distancia mínima entre los automóviles en cualquier momento durante el funcionamiento normal. El sistema de control responsable de una capacidad de manipulación optimizada en 5 min. (HC5) y la calidad del servicio deben considerar esta distancia mínima. Un sistema de seguridad certificado activa una parada de emergencia de los automóviles en caso de violación de las distancias de seguridad. Además, al permitir una parada controlada de los coches, el sistema de control monitoriza las posiciones y los movimientos de los coches y desacelera los coches en situaciones inesperadas sin activar la parada de emergencia. La detención controlada de automóviles incluye tasas de sacudidas y desaceleraciones iguales o mayores que las tasas de funcionamiento normal.

Se puede calcular una distancia de parada y un punto de parada de la deceleración controlada en cualquier momento. [11] En caso de violar las distancias mínimas entre los automóviles, los automóviles se pueden detener ejecutando una desaceleración controlada. La figura 3 muestra la posición de un automóvil a lo largo del tiempo (D (t)) y el punto de parada (DSP (t)) después de una desaceleración controlada espontánea con valores de desaceleración nominal. Si el ascensor está en proceso de desaceleración hasta el nivel de 50 m (10-16 s.), La desaceleración controlada espontánea no puede detener el automóvil antes si se utilizan los valores nominales de desaceleración y tirón. El punto de parada también es constante si se inicia una deceleración espontánea durante el final del proceso de aceleración (5-6 s.), Mientras que la aceleración se reduce mediante un tirón negativo. La desaceleración controlada también se puede operar con valores más altos de desaceleración y tirón. Para calcular una posición segura de otro automóvil, se debe agregar una distancia mínima, que incluye la altura del automóvil, a la posición de parada.

Intercambiador

Para analizar la parada en una unidad intercambiadora, se debe considerar el diseño de la unidad intercambiadora y el proceso de intercambio de carros entre ejes. El análisis se basa en una solución de mochila que incluye el motor lineal y la guía del automóvil. [10] Los elementos del eje pueden girar 90 °. Los coches pueden moverse horizontalmente. Los pasajeros pueden cargar y descargar durante el proceso de rotación ya que la cabina se mantiene en posición vertical. La figura 4 muestra un ejemplo sencillo de la funcionalidad de la unidad intercambiadora.

Cálculo del tiempo de ciclo mínimo posible

Se analizan las situaciones que involucran el cuello de botella durante el tiempo de ciclo mínimo posible (tCy). Esto incluye las paradas en los intercambiadores y las paradas intermedias donde ambos coches se detienen sucesivamente.

Tiempo de ciclo en un aterrizaje de intercambiador

El tiempo de ciclo mínimo en un aterrizaje de intercambiador (tCyEx) con pasajeros cargando y descargando se puede calcular con la Ecuación 1. El traslado de pasajeros durante el tiempo de reposo (tStand) de la cabina se puede realizar en paralelo al tiempo de preparación del intercambiador tEx (rotación de el elemento del eje) para el siguiente movimiento horizontal o vertical:

^tC_yE_x=t_arr + máx (^tEstar, ^tEj.) + ^tDep + ^tEx (ecuación 1)

Después de que un automóvil anterior / delantero haya salido de la unidad intercambiadora (^tDep), la hora de llegada del próximo automóvil (^tArr) es el tiempo que tarda un automóvil en llegar después de que la unidad intercambiadora se haya preparado para el siguiente automóvil (^tEx). Un tiempo de llegada prolongado del automóvil (^tArr) para el siguiente automóvil puede permitir la preparación paralela del intercambiador después de que el automóvil anterior / delantero haya salido del rellano del intercambiador.

El tiempo de espera (tStand) se calcula con la Ecuación 2 e incluye los tiempos de transferencia de pasajeros (tp), el número promedio de pasajeros en el automóvil (P) y los tiempos de puerta (tiempo de apertura de puerta: to, tiempo de espera de puerta: tdwell, tiempo de cierre de puerta: tc ).

^t_{Estand de exhibición} = ^t_o + ^t_morar + ^t_c        (Ecuación 2)

Duración del ciclo en un piso intermedio (ambas paradas)

El tiempo de ciclo mínimo en un piso intermedio con dos autos siguientes parando en el mismo piso (^t_CyF2) se puede calcular con la Ecuación 3. El tiempo entre la salida del automóvil delantero 1 y la llegada del siguiente automóvil 2 (tiempo de inicio a parada ^t_s2s) depende de las distancias de frenado y las distancias mínimas entre automóviles y se muestra en la Figura 5. La posición segura para el automóvil 1 relacionada con el automóvil 2 se muestra con D2SfP (t) y depende de la posición, punto de parada de una deceleración controlada con valores nominales del automóvil 2 y una distancia mínima adicional entre el automóvil 2 y el automóvil 1. La posición segura no debe tocar la posición del automóvil 1.

^t_CyF2 = ^t_{Estand de exhibición} + ^t_s2s   (Ecuación 3)

^t_Cy = ^{máx. (t}_CiEx,^t_CyF2) (Ecuación 4)

La situación con el tiempo de ciclo mínimo más largo es el tiempo de ciclo mínimo posible del MCLS y se define con la ecuación (4).

Capacidad de manejo

Para utilizar un MCLS circulante en un concepto de tráfico vertical, es necesario conocer el HC5. Como este sistema de elevación es diferente a los tradicionales, las ecuaciones conocidas deben adaptarse al nuevo sistema.

General

La capacidad de manejo de pasajeros entrantes se puede calcular con la ecuación simple para ascensores convencionales usando el intervalo (INT) y el número de pasajeros por cabina (P) (Ecuación 5). [12] Esto también es válido para un MCLS circulante.

         (Ecuación 5)

El intervalo (INT) de un grupo de MCLS circulantes se define por el tiempo de ciclo promedio (tCy) y el número de MCLS (NS):

   (Ecuación 6)

La capacidad de manejo de pasajeros entrantes en una dirección ascendente es independiente de cualquier tráfico descendente o tráfico entre los pisos superiores (por ejemplo, vestíbulos elevados). El tráfico descendente adicional afectará el tiempo de viaje de ida y vuelta (RTT) de una cabina debido a los tiempos de transferencia de pasajeros y los tiempos de puerta de las paradas existentes o adicionales. Si los RTT de las cabinas cambian, el número o la velocidad de las cabinas deben adaptarse en consecuencia para mantener el tiempo de ciclo medio entre los coches siguientes en un valor constante.

Tamaño de cabina

El aumento del tamaño de la cabina aumentará la capacidad de manipulación, especialmente en aplicaciones de lanzadera. Sin embargo, en aplicaciones de lanzadera, el HC5 no es una función lineal del tamaño de la cabina. Duplicar el tamaño de la cabina no duplica el HC5 a medida que aumentan los tiempos de transferencia de pasajeros y los tiempos de ciclo.

Entrada doble

Como la capacidad de manipulación está limitada por los tiempos de carga y descarga de pasajeros, los vestíbulos de doble entrada (dos vestíbulos uno encima del otro) permiten la carga simultánea de dos cabinas, lo que aumenta la capacidad de manipulación. Para un MCLS circulante, cada nivel de entrada puede tener una unidad intercambiadora que permita el intercambio paralelo de dos coches. El tiempo de ciclo ahora se mide entre dos pares de coches (Figura 6); por lo tanto, se puede transportar el doble de pasajeros por ciclo. El tiempo de ciclo aumentará ligeramente, ya que los tiempos de llegada y salida de dos autos en un vestíbulo / piso doble son más largos en comparación con los de un solo automóvil que se detiene en un solo piso.

Numero de cabinas

El número de cabinas (NC) en un MCLS circulante depende del RTT y del tiempo de ciclo (tCy). Se puede calcular con la siguiente ecuación:

   (Ecuación 7)

Esto también se ilustra en la Figura 7. Muestra un viaje completo de ida y vuelta de un automóvil (D1 (t)). El RTT se divide por el tiempo del ciclo y muestra cada posición del automóvil después de un período del tiempo del ciclo. Estas posiciones son iguales a la posición actual de los otros autos en el MCLS en el tiempo t = 0, que se muestra con los dos ejes de un MCLS en la Figura 7. Con configuraciones de doble entrada y pares de autos, el número de autos se duplica.

Solo es posible introducir un número entero de coches en el sistema. En el caso de un RTT sin cambios y redondeando hacia abajo el número de autos (el resultado de la Ecuación 7), el tiempo de ciclo promedio real (tCyR) será mayor que el tiempo de ciclo mínimo posible (Ecuación 8). Para lograr la misma capacidad de manejo, es necesario reducir el RTT (por ejemplo, aumentando la velocidad de los automóviles).

  (Ecuación 8)

En caso de redondear el número de cabinas (resultado de la Ecuación 7), el tiempo de ciclo mínimo medio posible no se puede reducir porque está limitado a un mínimo. El RTT debe aumentarse de acuerdo con la Ecuación 9 para evitar atascos (por ejemplo, reduciendo la velocidad de los automóviles):

RTT = ^N_C * ^t_Cy  (Ecuación 9)

Calidad de servicio

Como la medida principal de la calidad del servicio es el tiempo de espera, el tiempo de espera derivado del tiempo del ciclo y el intervalo puede ser la medida principal. [12] Sin embargo, también deben tenerse en cuenta los tiempos de viaje y el número de paradas. En aplicaciones multicar, pueden incluirse retrasos adicionales como medidas de calidad. [13]

El HC5 máximo para ascensores de cuerda convencionales se logra en una aplicación de lanzadera de dos paradas. El RTT se mantiene al mínimo. Con los cálculos de RTT, se puede optimizar la calidad del servicio, el intervalo y el tiempo de espera.

Para un MCLS circulante, el HC5 es independiente del número de paradas. Además, el tiempo de espera, por ejemplo, en la entrada principal, se puede reducir al mínimo, pero los retrasos adicionales durante el viaje afectarán la calidad del servicio. En aplicaciones donde todas las cabinas tienen las mismas paradas, estos retrasos adicionales pueden reducirse al mínimo o evitarse por completo mediante la sincronización de los coches. Esto se puede comparar con un tren subterráneo para transporte urbano.

Cada tren de una línea específica tiene las mismas paradas con un tiempo de parada similar. Si un tren no puede adelantar a otro tren, se pueden evitar retrasos adicionales durante el funcionamiento normal del sistema.

Permitir paradas individuales para cada automóvil limita las opciones para evitar estos retrasos sin sacrificar el HC5, ya que los automóviles no pueden adelantarse entre sí. Los controles más sofisticados que asignan pasajeros a los automóviles pueden ayudar a mejorar la situación. Esto requiere una guía avanzada para los pasajeros, una buena indicación y que los pasajeros sepan que los automóviles cargados desde la misma puerta del rellano viajan a diferentes pisos de destino. Esto es inesperado para la mayoría de los pasajeros del ascensor y podría resultar confuso; puede ser una opción en el futuro.

Por lo tanto, se prefiere la aplicación de lanzadera con uno o varios vestíbulos de cielo, ya que garantiza una buena calidad de servicio con la máxima capacidad de manipulación posible.

Comparación de los sistemas de elevación con lanzadera

Considere un MCLS en comparación con los sistemas tradicionales de elevación de dos pisos en una aplicación de elevación de lanzadera. La Figura 8 muestra las configuraciones comparadas. La comparación se basa en los cálculos de tiempo de ciclo para los cálculos de MCLS y RTT para el sistema de dos pisos. Se compararán diferentes alturas de recorrido: 100, 200, 300, 400, 500 y 600 m.

La Tabla 1 muestra los parámetros de ambos sistemas. La división del tráfico es 80% de pasajeros entrantes y 20% salientes distribuidos equitativamente en ambos vestíbulos. La Figura 9 muestra la velocidad elegida y el número de cabinas, y el HC5 y el intervalo en función de la altura de viaje.

La capacidad de manipulación del sistema de varios coches es constante e independiente de la altura de recorrido. Comenzando con una altura de recorrido de unos 200 m, será más alta que la del sistema de dos pisos comparado. El beneficio del MCLS circulante se puede ver con el aumento de la altura de recorrido. Para mantener la capacidad de manipulación constante en el MCLS para cada altura de viaje, el número de cabinas rezCxzCquired debe adaptarse para el MCLS sin ejes adicionales. Sin agregar ningún eje, el número de cabinas para los cuatro ejes de dos pisos es constante.

Al aumentar la altura de recorrido, la velocidad nominal aumenta para ambos sistemas. La velocidad del MCLS es menor que la velocidad del doble piso.

El tiempo de espera promedio (AWT) y el tiempo de tránsito promedio (ATT) de ambos sistemas se comparan en la Figura 10. La relación entre el intervalo y el tiempo de espera es compleja. [14] Para simplificar, en estos resultados, el AWT de los cálculos de RTT se toma como el 50% del intervalo.

Dado que el intervalo del automóvil múltiple es constante, el AWT también es constante. Aunque la velocidad elegida del coche múltiple es menor que la del doble piso, el tiempo hasta el destino del MCLS proporciona mejores valores. Esto es causado por un AWT más bajo y tiempos más cortos de carga / descarga de pasajeros.

Conclusión

La capacidad de manipulación de un MCLS circulante se basa en el tiempo de ciclo mínimo posible del sistema, que se analiza y define en este artículo. Si el RTT promedio de un MCLS aumenta, el número de automóviles debe adaptarse para mantener el tiempo de ciclo mínimo posible y una capacidad de manejo constante. Para lograr el tiempo de ciclo mínimo posible sin atascos, la velocidad también se adapta. Las distancias de seguridad y las distancias de frenado deben calcularse y considerarse para calcular valores razonables para el tiempo de ciclo mínimo posible. Según el tiempo de ciclo y los cálculos de RTT, un MCLS circulante y un sistema de dos pisos se comparan con diferentes alturas de desplazamiento en una aplicación de lanzadera. El MCLS proporciona valores constantes para la capacidad de manejo y AWT con alturas de viaje crecientes al agregar más automóviles al sistema. Además, el tiempo de ciclo corto permite AWT cortos. Estos valores deben probarse mediante simulación. Los algoritmos de control avanzados también pueden habilitar aplicaciones MCLS adicionales.

Referencias

[1] Thumm, G. “A Breakthrough in Lift Handling Capacity,” Elevator Technology 14, Actas de Elevcon 2004, Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores (IAEE), 2004.
[2] ELEVATOR WORLD. “El Museo del Ascensor – Cronología” theelevatormuseum.org/timeline.php, 2015.
[3] Strakosch, G. y Caporale, R, The Vertical Transportation Handbook, cuarta edición. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, Nueva Jersey, 2010.
[4] “Un ascensor da vueltas”, ELEVATOR WORLD, Vol. XLII, enero de 1996.
[5] Jappsen, H. “Elevadores de gran altura para el siglo XXI”, Elevator Technology 21, Actas de Elevcon 12, IAEE, 2002.
[6] Godwin, A. “Transporte circular en el siglo XXI (¡sin el contrapeso 'hermoso'!)”, Elevator Technology 21, Actas de Elevcon 18. IAEE, 2010.
[7] Entonces, A., Al-Sharif, L. y Hammoudeh, A. “Análisis de posibles sistemas de tráfico de ascensores bidimensionales en grandes edificios”, Tecnología de ascensores 20, Actas de Elevcon 2014, IAEE, 2014.
[8] Entonces, A., Al-Sharif, L. y Hammoudeh, A. “Análisis de tráfico de un sistema de ascensor bidimensional simplificado”, Investigación y tecnología de ingeniería de servicios de construcción.
[9] ThyssenKrupp Elevator AG. "Nueva era de ascensores para revolucionar la construcción de rascacielos y de mediana altura" urban-hub.com/ideas/new-era-of-elevators-to-revolucionize-high-rise-and-mid-rise-construction, 2014.
[10] Jetter, M. y Gerstenmeyer, S. “Next Generation Vertical Transportation System” enviaron un artículo a CTBUH 2015 New York Conference Proceedings, Nueva York, 2015.
[11] Gerstenmeyer, S. y Peters, R., “Safety Distance Control for Multi Car Lifts”, artículo de investigación, borrador, inédito, 2015.
[12] Institución colegiada de ingenieros de servicios de construcción. CIBSE Guide D: 2010 Transportation Systems in Buildings, Londres, 2010.
[13] Smith, R. y Gerstenmeyer, S. “Una revisión del tiempo de espera, el tiempo de viaje y la calidad del servicio”, Simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas, Northampton, Reino Unido, 2013.
[14] Peters, R. “La aplicación de la simulación al diseño de tráfico y pruebas de despachadores”, Simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas, Northampton, Reino Unido, 2013.