Cable de acero SDR de Orona

Aplicaciones, certificaciones y rendimiento de cuerdas de diámetro pequeño no convencionales (SDR)

por el Dr. Mikel A. Urchegui, Iñaki Aranburu, Lars Gustavsson y André van den Burg

El cable no convencional de diámetro pequeño (SDR) de Orona permite el uso de pequeñas máquinas sin engranajes y el desarrollo de soluciones compactas sin sala de máquinas (MRL). Este artículo incluye una descripción general del proceso de certificación, centrándose en las pruebas más interesantes y relevantes realizadas, así como un resumen de la historia del SDR.

Medios de suspensión innovadores

Desde mediados de la década de 1990, ha existido una demanda de soluciones LMR sin engranajes rentables. Las máquinas sin engranajes se consideran la opción más adecuada para los elevadores de tracción eléctrica y, aunque eran bien conocidas hace muchos años, seguían siendo demasiado grandes y caras para las aplicaciones convencionales en las que las soluciones con engranajes eran rentables. Como resultado, las máquinas sin engranajes se restringieron principalmente a aplicaciones de gran altura / tráfico, donde los costos iniciales se superaron mediante ahorros en condiciones de operación más eficientes. Aunque la reducción del tamaño y el costo de las máquinas sin engranajes había sido una demanda constante, el concepto de MRL y su enfoque en edificios más convencionales ejerció una presión adicional sobre su desarrollo. Dos innovaciones impulsadas por la tecnología han contribuido a lograr este objetivo: máquinas sin engranajes de imán permanente (PM) y medios de suspensión innovadores.

Primero, las máquinas PM permiten una solución sin engranajes más compacta y controlada, y han dado como resultado la diversidad de aplicaciones de transmisión directa en el mercado. Por otro lado, en las últimas décadas se han investigado medios de suspensión específicos y no convencionales. Estos también se centraron principalmente en las demandas extremas de los edificios de gran altura / tráfico y se basaban comúnmente en materiales sintéticos complejos y costosos como las fibras de aramida. Se requería un medio de suspensión más flexible para reducir los diámetros de las poleas de tracción y reducir las máquinas de PM a los tamaños y costos adecuados para las aplicaciones sin engranajes MRL de la competencia.

Debido a su flexibilidad de flexión, los cables de acero de diámetro pequeño son una solución potencial. Sin embargo, se deben emplear alambres delgados de alta resistencia para lograr la carga de rotura requerida, lo que da como resultado superficies muy duras sensibles al desgaste y la abrasión. Como resultado, los cables completamente metálicos de diámetro reducido fallan mucho antes y desgastan las poleas de tracción y / o las poleas de desviación más rápidamente. Además, dependiendo del ángulo de la envoltura y los materiales de la polea o la ranura, puede ocurrir más fácilmente una falta de tracción.

Actualmente, las correas son una solución buena y equilibrada, porque varios alambres de alta resistencia se retuercen para dar forma a hebras incrustadas en una base plana de poliuretano. Manteniendo su capacidad de carga, pueden ofrecer una tracción y una flexibilidad de flexión notables, lo que proporciona una vida útil prolongada y confiable (Figura 1).

Sin embargo, Orona adoptó el enfoque de utilizar un cable de acero de diámetro reducido recubierto con una funda polimérica para evitar el contacto y el desgaste de los alambres y poleas exteriores, al tiempo que garantiza una buena capacidad de tracción gracias a los materiales de alta fricción (Figura 2). La empresa considera que la tecnología de cable revestido le otorga una competitividad diferenciadora que se beneficia de la investigación acumulada desde 2000. Orona percibe que sus resultados incluyen una carga optimizada de cable estrecho, flexibilidad de configuración del eje, rendimiento general más seguro del cable y métodos de inspección convencionales.

Sin embargo, una desviación de la norma EN 81 [2] es una barrera para todas las alternativas de medios de suspensión no tradicionales (Figura 3), que requiere un procedimiento de prueba intensivo para ser certificado. En la mayoría de los casos, las correas o cables, los diámetros de las poleas o poleas y la resistencia del cable están fuera del alcance de la norma EN 81, ya que según la Directiva europea de ascensores, la norma armonizada EN 81 solo otorga una presunción de conformidad. Sin embargo, dicho sistema se puede comercializar después de un análisis de riesgo y un procedimiento de prueba de un organismo notificado externo (NB). Los NB deben certificar que se han tenido en cuenta todos los requisitos esenciales de salud y seguridad de la Directiva de ascensores, y que los nuevos medios de suspensión ofrecen al menos un nivel de seguridad equivalente al que cumple la norma EN 81. Todo ello da como resultado un examen de tipo CE de ascensores de un elevador “modelo” (certificación general de tipo de levantamiento) y / o una suspensión significa certificación bajo algunas condiciones de operación del elevador (Diseño-Examen CE del cable).

El SDR

Una solución para accionamientos sin engranajes PM compactos certificados por un NB externo, en comparación con los cables convencionales, el SDR se basa en un concepto con alambres más delgados y de mayor resistencia con hilos más pequeños; cuerda de diámetro reducido; y un revestimiento polimérico para asegurar la tracción y evitar la abrasión de los alambres exteriores sin necesidad de volver a lubricarlos. La parte metálica del cable tiene un diámetro inferior a 5 mm y emplea alambres de acero con una resistencia a la tracción superior a 2,800 N / mm2. El cable con revestimiento completo tiene un diámetro de 6.5 mm y una carga de rotura mínima aproximadamente un 60% mayor que la de un cable convencional del mismo diámetro. Un recubrimiento polimérico que proporciona un alto coeficiente de fricción permite el uso de ranuras semicirculares, lo que da como resultado una baja presión de contacto entre el cable y la polea, lo que reduce el desgaste / abrasión de los alambres internos. La presión reducida y la ausencia del contacto exterior de metal con metal conduce a una mayor comodidad en la cabina del ascensor, con menos ruido y vibraciones reducidas. La fabricación del cable SDR sigue un proceso convencional de enrollado del cable, donde un recubrimiento en la última etapa de producción asegura la correcta adhesión al cable metálico interior.

Prueba y certificación de cuerdas SDR

La nueva suspensión significa que el desarrollo requirió enfrentar y resolver nuevos problemas tecnológicos para la industria de los ascensores y largos períodos de prueba para garantizar la seguridad en cualquier condición. Por ese motivo, Orona decidió confiar en la experiencia y el reconocimiento internacional de Liftinstituut para su certificación de ascensores. Bajo la supervisión de Liftinstituut, se completó el análisis de riesgos de acuerdo con ISO 14121-1 e ISO 14798. El enfoque principal fue la resistencia a la fatiga por flexión y la capacidad de tracción, pero los problemas de ruido y vibración también se consideraron críticos. Además, se diseñaron varias pruebas para comprobar el rendimiento del SDR en condiciones tan extremas y poco frecuentes como un incendio; radiación solar y ultravioleta; viento; alta humedad; atmósferas saladas, oxidadas o arenosas; contacto con aceite; temperaturas bajas; y vandalismo.

Desde el año 2000, Orona ha apoyado varias disertaciones de maestría y tesis de doctorado sobre el tema. Los principales resultados de estos estudios se publican como artículos de revistas o conferencias. [3-5] Liftinstituut supervisó la gran cantidad de pruebas de laboratorio y a gran escala llevadas a cabo en las instalaciones de pruebas de laboratorio de Orona, torres de prueba y ascensores reales. Entre todas las pruebas realizadas, a continuación se describen las más interesantes y relevantes.

Rendimiento de fatiga

El excelente rendimiento a la fatiga del cable Orona SDR se basa en la mayor flexibilidad de flexión de su núcleo metálico de diámetro reducido. Los alambres interiores se comportan como lo hacen en los cables convencionales, mientras que los hilos exteriores, en contacto con la funda de plástico, estarán expuestos a una presión de contacto reducida y distribuida de manera más uniforme. Además, gracias a la funda polimérica, esos alambres exteriores no sufrirán abrasión alguna sobre la polea de tracción o las ranuras de la polea de desviación. Una pequeña cantidad de lubricante interno especial reduce el desgaste interno y la degradación de los alambres del núcleo más pequeños en contacto con los hilos externos.

Sin embargo, los alambres delgados pueden colapsar debido al contacto con los alambres adyacentes, desalineación del cable y de la polea, golpes severos, sobrecarga, tensiones desequilibradas del cable, torsión del cable y otras condiciones indeseables. Las roturas de alambre se concentran comúnmente dentro del área de contacto entre los alambres de la capa exterior de los hilos exteriores y los alambres del núcleo. En este caso, los alambres rotos eventualmente perforarán la funda polimérica. Este es también un fenómeno bien documentado, con criterios de descarte basados ​​en métodos de inspección convencionales y aplicando un factor de seguridad mucho más estricto que el de las normas actuales. Sin embargo, la construcción de cable convencional, y, por lo tanto, la construcción SDR, evita intrínsecamente el colapso general del cable, ya que las áreas dañadas sobrecargadas se normalizan (en distribuciones de tensión uniformes) a unas pocas longitudes de tendido del área dañada. [6] Esto y las múltiples cuerdas son razones adicionales del rendimiento más seguro del SDR.

El comportamiento frente a la fatiga de los medios de suspensión SDR se comprobó utilizando diferentes equipos de flexión acelerada. Uno (Figura 4a) se basa en el equipo de prueba de fatiga de flexión sobre polea (BoS) definido por el Dr. Klaus Feyrer. [7] En esta prueba, la cuerda soporta un esfuerzo de tracción constante y se dobla sobre una polea de desviación. Para pruebas extensas, el SDR tuvo que soportar más de 4 x 106 ciclos de flexión sobre poleas con un diámetro menor a 160 mm y fue sometido a una fuerza de tracción con un factor de seguridad de aproximadamente 8.

Otros equipos de prueba reprodujeron las condiciones exactas de trabajo del cable en un levantamiento real (Figura 4b): el cable pasa sobre una polea de tracción y dos poleas de desviación simulando las presentes en el lado del carro o contrapeso, el cable se desplaza con la misma velocidad que en una elevación real, y se simula la relación T1 / T2. La solución SDR admite más de 2 x 106 arranques de marcha atrás de la máquina con un factor de seguridad de aproximadamente 12 y T1 / T2 ≈ 1.6. Finalmente, la cuerda se hizo funcionar repetidamente a través de más de 6 x 106 ciclos de flexión.

Capacidad de tracción

El contacto de la vaina polimérica en las poleas ranuradas de hierro fundido convencionales mostró una alta capacidad de tracción en las condiciones más extremas. Se logra una fuerte e íntima adhesión entre el polímero y la superficie exterior de la parte metálica de la cuerda para evitar que la funda se desprenda en condiciones de alta fricción o deslizamiento. La vida útil de la fricción de la funda de polímero es mucho mayor que la vida útil del cable. Incluso cuando se produce un deslizamiento durante el viaje ascendente del automóvil cuando el contrapeso descansa sobre el amortiguador, no se produce un desgaste significativo o quemado de la funda.

El SDR cumplió todas las condiciones detalladas en la cláusula 9.3 de EN 81-1. Estas condiciones también se comprobaron en ascensores reales, porque las consideraciones de diseño dadas en el Anexo M no son aplicables al SDR. Se llevaron a cabo pruebas adicionales para controlar el coeficiente de fricción del cable SDR que pasa por una ranura semicircular y determinar el deslizamiento relativo de la polea de tracción contra el SDR para diferentes valores de relación T1 / T2.

Ruido y vibración

También se realizaron otras pruebas y cálculos para mejorar el confort en los ascensores. Es por ello que se calcula la frecuencia natural del SDR junto con las correspondientes al resto de componentes del sistema de suspensión (máquina, polea de tracción y poleas de desvío) para todas las condiciones de trabajo en diferentes ascensores. Estos cálculos se comparan con las mediciones realizadas en ascensores reales (Figura 5).

El extenso análisis de riesgos y el posterior programa de pruebas generales dieron como resultado que Liftinstituut certificara a Orona para usar su sistema de suspensión mediante un examen de tipo CE para cuatro nuevos modelos de elevación, que abarcan 320-1600 kg de capacidad y 1-1.6 mps de velocidad, de la siguiente manera : NL 10-400-1002-035-20, NL 09-400-1002-035-21, NL 06-400-1002-032-14 y NL 04-400-1002-035-09. Adicionalmente, el propio cable SDR fue certificado mediante un Certificado de Examen de Diseño CE (A11 / 99CL0067 emitido por AENOR) para la sustitución, modernización o rehabilitación de ascensores. Estos certificados son válidos para elevadores MRL, así como para aplicaciones aéreas tradicionales.

Rendimiento SDR en aplicaciones reales

El cable SDR se concibió y fabricó originalmente hace más de una década, pero solo se comercializó en 2003 después de las pruebas más exhaustivas para garantizar un rendimiento óptimo del cable. Desde entonces, la cuerda ha sido mejorada y probada intensamente durante varias decenas de miles de horas en laboratorios y ascensores reales. Brugg Lifting, que también es fabricante de la correa Otis, ha fabricado más de 5,000 km de cable CTP®. Además, como el producto se ha instalado en más de 20,000 ascensores en todo el mundo, se ha observado en varios lugares a lo largo del tiempo.

El proceso de deterioro de SDR es diferente al de las cuerdas convencionales. La degradación se produce principalmente por el contacto entre alambres adyacentes (de dos hebras exteriores adyacentes y / o entre la hebra exterior y el núcleo) y, como consecuencia, el deterioro no es visible, excepto por la coloración progresiva de la cuerda (rojo a marrón a negro ), que nunca debe tenerse en cuenta a la hora de decidir la sustitución. La coloración se debe únicamente al desgaste causado por el rozamiento (desplazamiento relativo repetido y fricción de pares de alambres en contacto) que, después de unos pocos miles de ciclos, produce un polvo por la degradación de la superficie del alambre que, a diferencia de las cuerdas convencionales, es retenido por el funda de cuerda. Por estas razones, se ha planificado una versión mejorada del SDR con una funda gris no transparente.

Las pruebas certificadas por Liftinstituut demostraron que, incluso en condiciones de carga extremas, el SDR siempre soporta un nivel mínimo de viajes en reversa sin ninguna reducción de resistencia. Por tanto, se acordó un criterio de descarte simple, que forma parte de los certificados, que consiste en el número máximo de ciclos o viajes inversos. En consecuencia, este método de evaluación se basa en el uso, en el que el controlador del ascensor emite una advertencia cuando se acerca el límite definido y, finalmente, detiene el ascensor si se ignora la advertencia. El límite de uso definido otorga al SDR una esperanza de vida equivalente o superior a la de los cables convencionales.

En cuanto a las cuerdas convencionales, traducir el número de viajes en tiempo (en años) no es sencillo. El resultado depende del volumen de tráfico, la configuración del ascensor, el número de plantas atendidas, la altura media de recorrido, el tamaño de la cabina, el tiempo medio de funcionamiento, etc. En cualquier caso, toda la información relacionada con los criterios de descarte se recoge en detalle en las instrucciones de mantenimiento del ascensor. provisto con cada elevador que emplea sistemas Orona SDR. Las instrucciones también señalan que el SDR debe inspeccionarse periódicamente para evitar situaciones tales como sobrecargas, golpes fuertes, tensión desequilibrada del cable, desalineación del cable y de la polea, torsión del cable, alambres rotos o daños en la cubierta. Los repuestos SDR son suministrados por el servicio regular de repuestos de Orona bajo la identificación del pedido de elevación.

Beneficios

Los principales beneficios del SDR son la seguridad, la fiabilidad, la comodidad de conducción, el ruido, la precisión de frenado y la protección del medio ambiente. En comparación con los cables convencionales, una ventaja adicional es la capacidad de reducir los accionamientos directos PM a los tamaños y costos adecuados para las soluciones sin engranajes MRL competitivas en la mayoría de las aplicaciones, lo que reduce los costos operativos y las emisiones de CO2. Esta combinación puede generar menos restricciones y más espacio disponible. Los cables más ligeros ayudan a un ensamblaje más rápido, evitan los medios de compensación del peso del cable y reducen el consumo de energía al reducir las inercias generales del sistema.

Los SDR recubiertos evitan el contacto metal / metal, lo que da como resultado un viaje silencioso y suave, y la solución de lubricación SDR brinda un entorno más limpio y ecológico con una vida más larga que las cuerdas metálicas convencionales. Además, no hay desgaste en las poleas o poleas de desviación, lo que elimina la necesidad de mantener estos componentes.

El SDR es una alternativa competitiva a los medios de suspensión de correa plana, con un enfoque más seguro basado tanto en la resistencia al colapso general de las construcciones de cables trenzados como en el sistema de cables múltiples. Aunque el SDR se diferencia de los cables convencionales en sus mecanismos de degradación, no se requieren sistemas sofisticados de seguimiento de la degradación para determinar su estado de deterioro. Por último, pero no menos importante, los SDR de sección circular de diámetro pequeño ofrecen una mayor flexibilidad y adaptabilidad a las geometrías del eje en diferentes configuraciones de elevación, permiten un sistema de cableado más preciso para las aplicaciones esperadas y ayudan a garantizar condiciones de carga óptimas.

Referencias
[1] Sitio web de Otis (www.Otisworldwide.com). Acerca de los elevadores (consultado el 14 de mayo de 2012).
[2] EN 81-1, 1998. Normas de seguridad para la construcción e instalación de ascensores - Parte 1: Ascensores eléctricos.
[3] Urchegui, MA, Hartelt, M., Klaffke, D. y Gómez, X. “Ensayos de trastes en laboratorio con muestras de alambre fino”. TriboTest, vol. 13, no. 2, 2007, págs. 67-81.
[4] Urchegui, MA, Tato, W. y Gómez, X. “Evolución del desgaste en una cuerda trenzada sometida a flexión cíclica”. Revista de Ingeniería y Desempeño de Materiales, vol. 17, no. 4, 2008, págs. 550-560.
[5] Usabiaga, H. y Durville, D. “A Finite Element Approach for Modeling Wire Ropes”, OIPEEC Conference '09: Innovative Ropes and Rope Applications, OIPEEC, 2009.
[6] Evans, JJ, Ridge, IML y Chaplin, CR "Fallas de alambre en cuerdas y su influencia en el comportamiento local de deformación de alambre en tensión tensión fatiga". Revista de análisis de deformaciones para el diseño de ingeniería, vol. 36, no. 2, 2001, págs. 231-244.
[7] Feyrer, K. Wire Ropes: Tension, Endurance, Reliability (1ª edición), Springer, 2007, págs. 400.