Modelado y análisis de soportes de riel guía y piezas de fijación

por Serkan Elmalı, Adem Canda ¸ s, Eren Kayao ˘g lu, C. Erdem Imrak y Sefa Targit

Este trabajo fue presentado en USA 2012, el Congreso Internacional sobre Tecnologías de Transporte Vertical y publicado por primera vez en el libro Elevator Technology 19 de la IAEE, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores. (sitio web: www.elevcon.com). Este artículo es una reimpresión exacta y no ha sido editado por ELEVATOR WORLD.

Palabras clave: rieles de guía, soportes de riel de guía, método de elementos finitos

Resumen

Todo tipo de ascensores cuentan con rieles de guía que guían la cabina y el contrapeso en su recorrido vertical y detienen y sujetan la cabina en la aplicación del paracaídas son los más importantes en términos de seguridad del ascensor. Los soportes de riel guía se colocan a distancias regulares entre sí a lo largo del riel para sujetar el riel al eje, y también se unen a la guía del riel y al eje con la ayuda de piezas de fijación (clips y pernos). En este estudio, los soportes de los rieles de guía y las piezas de fijación para anclar los rieles de guía se han modelado para el análisis de elementos finitos. Se han realizado análisis de tensión y deflexión de los soportes de riel guía para diferentes condiciones de carga y diferentes puntos de aplicación de fuerzas entre dos soportes de riel.

1. Introducción

Todo tipo de ascensores cuentan con rieles de guía que guían la cabina y el contrapeso en su recorrido vertical y paran y sujetan la cabina en la aplicación del paracaídas son los más importantes en términos de seguridad del ascensor. Los soportes de riel guía se colocan a distancias regulares entre sí a lo largo del riel para sujetar el riel al eje, y también se unen a la guía del riel y al eje con la ayuda de piezas de fijación (clips y pernos). En este estudio, los soportes de los rieles de guía y las piezas de fijación para anclar los rieles de guía se han modelado para el análisis de elementos finitos. Se han realizado análisis de tensión y deflexión de los soportes de riel guía para diferentes condiciones de carga y diferentes puntos de aplicación de fuerzas entre dos soportes de riel. Además, el aparato de prueba ha sido diseñado para el análisis experimental de esfuerzos de grapas y pernos mientras se aplican diferentes condiciones de carga.

Los rieles de guía de los ascensores son componentes de los sistemas de ascensores que definen la ruta por la que viajan los ascensores (Targit, 2002). En circunstancias normales, los rieles de guía simplemente definen las trayectorias de los ascensores por los que viajan los ascensores y se supone que están libres de las cargas y fuerzas impuestas a las cabinas de los ascensores (Demirsoz et al, 2005). Durante el viaje del ascensor, las fuerzas serán comparativamente bajas, especialmente si la cabina está bien equilibrada y la carga está bien distribuida.

Las otras cargas ejercidas sobre los raíles serán por el funcionamiento del equipo de seguridad en condiciones de emergencia (Targit, 2002). Las cargas ejercidas pueden ser muy elevadas, dependiendo del tipo de paracaídas (Imrak et al 2006).

En la práctica, los rieles de guía del automóvil se fijan de dos maneras diferentes, en la parte superior del pozo (riel de guía colgante) o en el foso y los soportes del riel de guía se colocan a distancias regulares entre sí a lo largo del riel para sostener el riel. (Koc et al, 2010). Las cargas de pandeo sometidas por los dispositivos de seguridad que actúan sobre los carriles guía son parámetros importantes en los cálculos del carril guía. La carga vertical (F_k) hace que el riel de guía se doble en caso de funcionamiento del dispositivo de seguridad descendente cuando los rieles de guía están fijados en el foso. En este caso, los soportes del riel guía y los clips de fijación del riel no están sujetos a cargas extremas porque las cargas de pandeo verticales existen en el foso (Kiral et al, 2004).

Se han llevado a cabo considerables estudios de investigación sobre los soportes y clips de los rieles de guía del ascensor (Koc et al 2010; Kiral et al 2004). Koc ha examinado el análisis de tensión de los soportes de riel guía para diferentes distribuciones de carga en diferentes situaciones de operación. Kiral ha investigado el montaje de riel guía y soporte de riel guía para diferentes casos de carga posibles definidos en la norma EN 81-1: 1998.

En este estudio, los cálculos de esfuerzos y deformaciones del carril guía (T90) se han realizado según la norma EN-81 durante el funcionamiento del paracaídas. Se modeló el riel guía, los soportes del riel y los clips y se realizó el modelo de elementos finitos del ensamblaje del riel guía. El análisis de esfuerzos por elementos finitos de los soportes y grapas de los rieles de guía se llevó a cabo tomando como referencia las fuerzas que se produjeron en los cálculos de los rieles de guía. Los estudios sobre este tema, especialmente sobre los soportes de riel guía, no son suficientes en la literatura. En este estudio se pretende superar las deficiencias que existen tomando como referencia algunos estudios realizados anteriormente.

2. Soporte de riel guía

Para un viaje seguro, suave y cómodo, los soportes de los rieles de guía son los componentes más importantes junto con los rieles de guía. Los soportes de los rieles de guía se utilizan para instalar los rieles de guía en la pared y generalmente se fabrican doblando chapas de metal. Al ensamblar los rieles de guía a los soportes de riel, se utilizan diferentes tipos de clips (Koç, 2009).

Aunque actualmente no existen estándares disponibles para el cálculo de clips y soportes, es crucial considerar la acción del equipo de seguridad y particularmente las fuerzas generadas entre el clip y el riel guía debido al asentamiento del edificio y expansiones causadas por variaciones de temperatura. La elección del tipo de soporte dependerá del clip que se utilice, ya que las tensiones en el soporte están relacionadas con el coeficiente de fricción entre el clip y el riel guía (Sanz et al, 2008).

El diseño del soporte y el clip del riel guía es importante ya que estos elementos proporcionan los medios para mantener los rieles alineados. Para instalaciones de poca altura, se pueden usar clips de acero forjado para sujetar los rieles rígidos. Para instalaciones de más de 20 m, se prefieren los clips de resorte porque permiten la compresión del edificio. Todos los edificios se expanden, contraen y se mueven hasta cierto punto y la alineación de los rieles obtenida durante la instalación inicial debe mantenerse mientras esto ocurre. Nuevamente, cuanto más alto es el edificio y más rápido el ascensor, más crítico se vuelve este aspecto (Guía CIBSE D).

Durante la instalación, el riel guía debe moverse a una posición de montaje adecuada antes de que se puedan fijar los soportes para asegurar el riel guía en su lugar. Los soportes giran a menudo con el movimiento del carril de guía provocando una torsión y un bloqueo indeseables de los clips contra el carril de guía. Además, el movimiento del carril de guía para la alineación y para compensar las inconsistencias en el carril de guía no se acomoda fácilmente con los clips de carril convencionales. En consecuencia, es deseable desarrollar y diseñar un soporte de montaje que sea ajustable para adaptarse a rieles de guía de diferentes tamaños, y que se pueda asegurar de forma móvil al riel de guía para ayudar en la instalación dentro de un hueco de ascensor (Koc et al, 2010).

3. Modelo de elementos finitos

En este estudio, el cálculo de la guía del ascensor se realiza tomando como referencia un proyecto de ascensor de muestra. Las fuerzas sobre los rieles aplicadas por los patines de cabina se calcularon de acuerdo con los principios contables de la norma TS EN81-1. Se utilizaron cuentas de las fuerzas del carril guía, los valores de tensión y deflexión como condiciones de contorno para el análisis de elementos finitos de los soportes del carril. Con el fin de analizar el comportamiento estático de los rieles guía y los soportes de los rieles durante la introducción del paracaídas, los parámetros de montaje relacionados con la cabina y el riel guía se dieron en la Tabla 1 (Elmalı, 2011).

El método de los elementos finitos es un procedimiento numérico que se puede aplicar para obtener soluciones a una variedad de problemas de ingeniería. La predicción precisa de las tensiones experimentadas en los rieles guía solo se puede obtener mediante la aplicación de técnicas de ingeniería computacional. Las soluciones de elementos finitos para los rieles de guía y los soportes constituyen principalmente enfoques bidimensionales estáticos de las tensiones (Moaveni, 1999).

Después del cálculo de los rieles guía, se realizará e interpretará el análisis de esfuerzos por elementos finitos de los soportes del riel. Desde el modelado hasta los resultados del análisis, se utilizaron muchos programas. Estos programas y las etapas se muestran en la Figura 1.

La red de elementos finitos de los rieles de guía y los sujetadores de riel modelados en Solidworks se creó en Hypermesh. La longitud total del riel es de 5000 mm y la distancia entre los soportes del riel es de 2000 mm. En este estudio, se utilizó el modelo completo (tanto el paréntesis superior como el inferior) en lugar del modelo medio (solo el paréntesis superior o inferior) en comparación con estudios anteriores. No se consideró necesario crear una red de elementos finitos de las tuercas y los tornillos porque las condiciones de contorno de los tornillos se definirán durante el análisis.

Al crear el modelo de elementos finitos de los rieles, se utilizaron elementos de prisma rectangular con 8 puntos de nodo y elementos de prisma triangular con 6 puntos de nodo. El número y los tipos de elementos utilizados en el modelo se dan en la Tabla 2 (Elmalı, 2011).

En este estudio, el material del riel guía, el soporte del riel guía seleccionado según el riel guía y el riel asegurado en la pestaña se seleccionó como acero St37. La elasticidad del material St37 se definió en el programa Hypermesh. Los valores ingresados ​​al programa para esta definición;

• Características del material: isotrópico lineal
• Módulo de elasticidad: 2,1 x 10⁵ N / mm²
• Tasa de Poisson: 0,3

Si las partes del ensamblaje se mueven durante el análisis o cada parte muestra un comportamiento diferente durante el análisis, se deben definir las propiedades de contacto entre las partes. Para definir la interacción entre las partes no conectadas que trabajan juntas, se seleccionaron todos los elementos y se definió la propiedad de 'contacto' entre ellos. Después de la descripción del coeficiente de fricción entre las piezas, se tiene en cuenta la propiedad de fricción.

Las condiciones de contorno y las cargas se dan en el programa Patran, que es la interfaz del programa de resolución de elementos finitos de Nastran. En este modelo, se aplicaron 3 condiciones de contorno diferentes. Estos son:

a) En este estudio, se asume que los rieles de guía se apoyan en la parte inferior del hueco del ascensor. Por este motivo, el carril guía utilizado para el montaje se fijó como soporte anclado desde los lugares conectados con las placas de conexión (desde los orificios de los tornillos).

b) La unión por perno entre las escuadras del carril y las pestañas se definió con elementos rígidos, de igual manera la unión por pernos entre las escuadras se definió con elementos rígidos.

c) En este estudio, la superficie del soporte, que se fijó en la superficie de la pared, se definió como anclada porque los soportes se fijaron en la pared del pozo mediante soldadura.

La mayoría de sistemas estructurales con pequeñas deformaciones (la dirección de la fuerza aplicada no cambia depende de la deformación de la pieza), materiales elásticos (no se observa deformación plástica) y cargas estáticas (no cambia según el tiempo de carga) se puede resolver con análisis estático lineal. De acuerdo con esta definición, se eligió el análisis estático lineal para la solución de este sistema.

4. Resultados numéricos y computacionales

Tensiones y deflexiones en los rieles de guía, que se pueden utilizar para la instalación de un sistema de ascensor con capacidad para 10 pasajeros en un edificio de 16 pisos, calculado de acuerdo con la norma EN 81-1. Se realizaron cálculos de riel para el estado de trabajo del conjunto del paracaídas para una situación de cabina colgante y guiada centralmente. Para el sistema de paracaídas se utilizó un sistema de paracaídas de frenado deslizante. No hay ningún dispositivo para ayudar a los rieles de guía. En este estudio, la situación de la cabina colgante y guiada centralmente y las dimensiones relacionadas se muestran en la Figura 3 (Imrak et al, 2008b).

Para analizar la distribución de la tensión y las deflexiones del soporte y los clips del riel guía, se selecciona el software NASTRAN como una herramienta de análisis de elementos finitos. Con el análisis del modelo de elementos finitos, cuyas condiciones de contorno y cargas fueron dadas en el programa de interfaz Patran, se obtuvieron valores de tensiones y deflexiones en los soportes de rieles guía en Nastran. El riel de guía se apoya en el extremo inferior del foso y los soportes del riel de guía se colocan a distancias regulares entre sí a lo largo del riel de guía (Janovsky, 1999). Para el registro de carga de la cabina de 800 kg, la distancia de 200 mm entre el centro de gravedad del registro de carga y el eje del riel, el impacto en el punto medio del paracaídas en la situación del riel, los valores de tensión en los soportes del riel guía se muestran en la Figura 4 y los valores de la deflexión se muestra en la Figura 5.

El valor más alto de tensión fue de 44,1 MPa y se encontraba en un punto cerca de los puntos de montaje de los pernos en los soportes inferiores. De manera similar, generalmente se observaron grandes esfuerzos en una región cerca de los puntos de montaje de los pernos. El valor máximo de deflexión fue de 0,367 mm y se observó en el eje de pedalier conectado con el riel. Los puntos máximos de deflexión en los soportes inferiores y en los soportes superiores no estaban en los mismos puntos. Eran simétricos. Porque las fuerzas de reacción en los soportes como resultado del pandeo del riel y la flexión del riel son opuestas.

Los análisis se repitieron para diferentes cargas de cabina y diferentes distancias entre el centro de gravedad del registro de carga y el eje del carril. Los resultados de este análisis y los valores máximos de tensión en los corchetes inferior y superior se muestran en la Figura 6 y la Figura 7 en comparación entre sí.

Los valores de deflexión máxima de los soportes inferior y superior se dan en la Figura 8 y la Figura 9 respectivamente en comparación entre sí.

Como se puede entender en los gráficos anteriores, a medida que aumenta la distancia entre los centros de gravedad del registro de carga de la cabina y el eje del carril, aumentan los valores de deflexión del extremo de tensión. Como era de esperar, los valores de tensión y deflexión mejoran con el aumento del registro de carga de la cabina.

5. Conclusión

En este estudio, las tensiones y deflexiones de los rieles de guía se examinan mediante el método numérico, por otro lado, los soportes de riel que se utilizan para apoyar los rieles a la pared se examinan mediante el método de elementos finitos. Para mostrar los efectos del desplazamiento del eje se da un ejemplo. En este caso, se examinan 2000 mm de distancia vertical entre los soportes del riel guía en el riel guía T70 / B para comparar, los resultados del método de elementos finitos como los diferentes desplazamientos de eje dados en las figuras. Los valores de tensiones y deflexiones obtenidos de Nastran aumentan al aumentar el rango (xQ). Además de esto, se observaron tensiones elevadas en el punto de montaje de los pernos. Los puntos máximos de deflexión en los soportes inferior y superior no estaban en los mismos puntos; pero eran simétricos. Porque las fuerzas de reacción en los soportes como resultado del pandeo del riel y la flexión del riel son opuestas.

Agradecimiento

Esta investigación es parte del trabajo para el proyecto “Modelado y análisis de soportes de rieles de guía de ascensores en condiciones de carga dinámica” financiado por el Fondo de Investigación de la UIT.

Referencias
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Rieles de guía del elevador durante la operación del equipo de seguridad, Tecnología de elevador 15, Proc. de ELEVCON '2005, págs. 41-50.
Elmalı, S (2011). "Análisis de tensiones de anclajes de rieles guía", Tesis de maestría, ITU, Estambul.
Imrak, CE, Bozdag, E., Sunbuloglu, E., Toprak, T., Targıt, S. (2006). Análisis de tensión experimental de rieles guía, tecnología de ascensores 16, Proc. de ELEVCON '2006, páginas 111-119.
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