Flexión inversa y sus efectos en los cables de elevación

por Serdar Tavaslıoğlu

En los videos de capacitación de ensamblaje que publiqué, había preguntas sobre las poleas que causan la flexión inversa, que se mencionó en la sección de colocación de la máquina. Se preguntó cuáles son los puntos a considerar en el caso de utilizar poleas que provoquen la flexión inversa en los cables de elevación, y sobre qué base se exige que la distancia entre poleas sea 60 veces el diámetro del cable. La situación mencionada en el video de capacitación se relacionaba principalmente con las poleas fijas ubicadas delante o detrás de la polea de tracción, con la dirección de rotación opuesta a la polea de tracción. Si estas poleas no se instalan correctamente, acortan la vida útil del cable y, lo que es más importante, afectan la capacidad de tracción del elevador de una manera que pone en riesgo el uso del elevador. La rotura de los cables del cable y la sujeción del cable (el cable se aprieta y no se desliza entre las poleas de flexión inversa) se encuentran entre los problemas importantes en los ascensores. Estos temas deben ser examinados a su vez.

Doblado de cables de suspensión de ascensores

Como es sabido, los cables de suspensión en ascensores se encuentran entre los componentes principales del ascensor en términos de funcionamiento y seguridad. Las cuerdas se clasifican, fabrican, mantienen y prueban de acuerdo con varios estándares. Y se retiran de la operación en caso de condiciones negativas especificadas en los estándares. Hay estudios y exámenes bastante detallados sobre cuerdas que son uno de los componentes principales de varios productos junto con los ascensores. 

Las propiedades generales de los cables de acero se definen en la serie de normas TS EN 10264. Para los procedimientos de muestreo y ensayo, se utiliza la norma "EN 10264-1 Alambre de acero y productos de alambre - Alambre de acero para cables - Parte 1: Requisitos generales". La clasificación y los requisitos de los cables según su uso se especifican en la serie EN 12385. Entre estas, la norma "EN 12385-5 Cables de acero - Seguridad - Parte 5: Cables trenzados para ascensores" define los cables que se utilizan en ascensores, mientras que la norma EN 81-20/50 se basa en ella para las propiedades de los cables utilizados en ascensores. Las reglas para la inspección y el descarte de cables se explican en la norma "ISO 4309 Grúas - Cables de acero - Código de buenas prácticas para la inspección y el descarte". Para las prácticas de ascensores, también se puede utilizar la norma "ISO 4344 Cables de acero para ascensores - Requisitos mínimos". Además de estas, existen numerosos códigos de buenas prácticas y normas relativas a los cables.

Se han publicado varios artículos sobre los usos, prácticas y mantenimiento de las cuerdas. También es posible beneficiarse de las publicaciones de nuestros estimados profesores sobre estos temas. Algunas de estas publicaciones incluyen.

1. Actas del Congreso de Tecnologías de Transmisión 2003, “Asansör Halatları ve Mekanik Yapıları” y “Asansör Tesislerinde Bakım ve Yöntemleri” C.Erdem İmrak, Recep Demirsöz 
2. “İletim Teknolojisinde Kullanılan Tel Halatların Bakımları” Adalet Zeren, Hülya Yetiştiren
3. Actas del simposio de elevación de 2006, “Asansörlerde Kullanılan Çelik Tel Halatlar, Seçim ve Bakım Yöntemleri” Serpil Kurt, C. Oktay Azeloğlu
4. II. Actas del Congreso y Exhibición de Tecnologías de Mantenimiento 2005 “Asansör Tesislerinde Askı Halatlarının Koruyucu Bakım Esasları” Erdem İmrak, İsmail Gerdemeli, MC Fetvacı 
5. “Asansör Halatları” Güven Kutay- Günhan Yanbay  

Estos valiosos estudios de nuestros profesores pueden ser examinados. Puede obtener información detallada sobre los cables de elevación en estos artículos. Con respecto a nuestro tema, una de las razones de las roturas de alambre en los cables se explica como la flexión inversa de los cables en estos artículos. Cuando se examinan las publicaciones antes mencionadas, se ve que la seguridad y la vida útil del cable están determinadas por varios factores. En el caso de la suspensión directa de la cuerda, será suficiente crear un cierto factor de seguridad según la fuerza de tracción y elegir el tipo de cuerda adecuado en función del tipo de trabajo. Sin embargo, todos los cálculos cambian cuando se trata de curvas de cuerda. Porque la flexión conduce a la deformación de los cables y la rotura antes de lo esperado, lo que acorta la vida útil de los cables. En un sistema donde se dobla la cuerda, los cálculos deben repetirse en consecuencia.

En el catálogo denominado PFEIFER-DRAKO_STEEL-WIRE-ROPES, el cambio de cable debido a la flexión se da con gráficos. En la Figura 1, solo la parte media del cable enrollado alrededor de una polea permanece a la distancia normal, mientras que el lado inferior es más largo que la posición normal y el lado superior es más corto que la posición normal. Además, los alambres sujetos a presión sobre la polea en la parte inferior ejercen presión sobre la parte superior, como se muestra en la Figura 2. Estas fuerzas en el cable hacen que los núcleos y los alambres del cable de los devanados exterior e interior rocen entre sí, la formación de fuerzas superiores a las esperadas en los cables debido a fuerzas desequilibradas, roturas de cables o fatiga por flexión.

Varias publicaciones sobre este tema están disponibles en línea. Rolan Vetreet es un conocido profesional e investigador en temas de flexión de cuerdas. “Cálculo de la vida útil de los cables de acero en funcionamiento En su publicación, el ingeniero Roland Vetreet examinó el problema de la flexión de los cables (Cálculo de la vida útil de los cables de acero en funcionamiento). En dicha publicación, se utilizó la fórmula para la flexión de cables del profesor Feyrer de la Universidad de Stuttgart. En esta fórmula, se observa que el valor equivalente de la flexión del cable depende del diámetro del cable, el valor de la tensión, el diámetro de la polea, la fuerza de actuación, así como de otros factores (como b0, b1, b2, b3) que el fabricante determinará mediante diversas pruebas.

En esta fórmula

• N indica el número de ciclos de doblado
• d el diámetro nominal del cable en mm
• D el diámetro de la polea en mm
• S la línea de cuerda tire hacia adentro N
• Ro la resistencia a la tracción nominal del alambre en N/mm²

f_d tiene en cuenta el efecto de escala, f_L la longitud de la zona de la cuerda más estresada y f_E el tipo de alma de la cuerda.

Los factores b0 a b3 son parámetros específicos del cable que deben determinarse por separado en un gran número de pruebas de fatiga por flexión para cada diseño de cable individual.

Es posible calcular la vida útil de un cable en función de sus propiedades y el lugar donde se utiliza. Existen numerosas tablas que muestran estos efectos en la vida útil del cable. Algunas de estas tablas se presentan a continuación. Los gráficos y sus fuentes se enumeran a continuación: los gráficos de la Figura 3, que muestran los cambios según el diámetro del cable y el diámetro del carrete utilizado, provienen de «Cálculo de la vida útil de cables de acero en funcionamiento», Dipl.-Ing. Roland Verreet; los gráficos de la Figura 4, que muestran la vida útil según el número de núcleos o el estado de carga de cables de acero o fibra, provienen del libro «Diseño Mecánico de Ascensores, Tercera Edición», Lubomir Janovsky; los gráficos de la Figura 5, que muestran la resistencia a la rotura debida al diámetro del carrete en función del estado de lubricación del cable y el número de alambres, provienen de la publicación «Cuerdas de Ascensores», Güven Kutay-Günhan Yanbay. Como se puede observar en los gráficos a continuación, cada factor influye en la vida útil de un cable. No podemos mencionar un cálculo estandarizado para los cables, lo que significa que los cables deben usarse para cada máquina según su propia clasificación. Por lo tanto, los cables deben elegirse entre aquellos que cumplen con la norma EN 12385-5 para cables de elevación. No todos los cables de acero son cables de elevación. Los valores de diámetro de polea y los principios de cálculo de cables que se indican en la norma de elevación se aplican a los cables de esta clasificación. El diámetro de la polea en los cables que cumplen con la norma EN 12385-5 para poleas de compresión o deflexión, ya sean rectas o en sentido contrario, debe ser al menos 40 veces el diámetro del cable. Esto puede variar en cables con certificación especial.

Dado que cada flexión produce una deformación en la cuerda según su estructura, es necesario conocer el número y el tipo de flexión para calcular el factor de seguridad. La polea, que se utiliza como unidad para especificar la intensidad de la flexión, es la que denominamos «cabo tensor», la cual no ejerce presión adicional sobre la cuerda. En la norma EN 81-50, apartado 5.12.2.1, se indica que toda flexión debe considerarse equivalente a una flexión simple.

5.12.2.1 general

El número de dobleces y la severidad de cada uno provocan el deterioro de la cuerda. Esto depende del tipo de ranuras (en U o en V) y de si el doblez es recto o invertido. La severidad de cada doblez puede equipararse a la de varios dobleces simples.

Una curva simple se define por el paso de la cuerda sobre una ranura semicircular cuyo radio no supera el 0,53 del diámetro nominal de la cuerda.

La flexión simple se muestra en la opción a. En la opción b, hay una compresión en el cable mientras que en la opción c hay una extensión en el cable, por lo que no se aceptan como flexión simple. La capacidad de tracción en los ascensores de tracción se produce debido a la fricción entre la polea y el cable. Por lo tanto, las poleas de tracción comprimen los cables y se produce tracción debido a la fricción. Sin embargo, la compresión conduce a la deformación de las cuerdas. 

La compresión de los cables varía según los ángulos de los flancos y los ángulos socavados de las ranuras. Tabla 2 de EN 81-50; 5.12.2.2 muestra los equivalentes de flexión simple de las poleas por su estado de ranura y ángulo (NT). Para ranuras en U y cuyo radio de canal no sea superior a 0.53 del diámetro nominal del cable, el número equivalente se acepta como 1 y se toma como criterio de flexión simple. Tenga en cuenta que una polea con ranura en V con un ángulo de ranura de 35 O corresponde a una flexión simple de 18.5. Si el ángulo de socavado es de 105 grados en la ranura en U socavada, se produce una deformación igual a 15.2 por flexión simple.

Tabla 2 — Evaluación del número equivalente de poleas de tracción N_{equivalente(t)}

La dirección en la que gira la polea de tracción en el ascensor es la dirección de rotación principal, y todas las demás poleas que giran en esta dirección se consideran de flexión recta. Norma EN 81-50; 5.12.2.3 también proporciona un método para el cálculo de las poleas de desviación distintas de la polea de tracción. Si el cable formado en la polea de tracción encuentra una polea de deflexión de diferente diámetro (rueda loca), se produce una deformación adicional debido a la diferencia de diámetro. Este impacto se puede encontrar calculando el factor Kp. La fórmula para encontrar la polea de flexión simple equivalente a las poleas de desviación se proporciona a continuación. 

N_p = k_P.(NORTE_ps+4N_pr)

K_P = (D_T/D_S)⁴

N^ps = es el número de poleas con codos simples;

N^pr : es el número de poleas con codos invertidos; 

K_P : s el factor de relación entre los diámetros de la polea y la polea. 

D_T : es el diámetro de la polea de tracción; 

D_S : es el diámetro medio de las poleas, excluida la polea de tracción

N_T obtenido de la gráfica. Después del cálculo de N_S, el número de poleas de flexión simple totales equivalentes se encuentra como  N_E.   N_E = N_T+N_S                

Luego, se realizan los cálculos necesarios para encontrar el factor de seguridad de la cuerda (S_f ). (EN 81-50; 5.12.3)

En la fórmula dada arriba, N_pr: se da el número de polea de desviación de flexión inversa. Para encontrar la deformación de estas poleas se toma un multiplicador de cuatro veces el de la polea de flexión recta. La razón de esto es que el cable de flexión recto toma forma de acuerdo con la dirección de flexión. Se remodela cuando está sujeto a flexión inversa y hay mucha más fricción y tracción de lo normal entre los alambres de la cuerda. En las poleas que giran en la misma dirección, la deformación será menor ya que el estiramiento y la conformación del cable también se realizarán en la misma dirección, pero en la flexión inversa, la deformación de las fibras se acelerará debido a que los movimientos de los alambres del cable en ambas poleas será diferente entonces.

En la Figura 8 se muestran rotaciones y movimientos de la cuerda en dos flexiones diferentes.

Si las poleas de flexión inversa están demasiado cerca entre sí, el cable se flexionará en sentido inverso antes de poder recuperar su forma normal. En este caso, pueden aparecer huecos, bucles y nudos entre el enrollado interno y externo del cable. Las imágenes que se muestran a continuación provienen del catálogo titulado "Información técnica sobre cables de acero" de Güven Çelik Halat. 

Esto se puede observar claramente cuando los cables se desenrollan de las poleas y se enrollan en la otra polea. En caso de un esfuerzo de desenrollado inverso, bucles y ojales. 

Dichos movimientos inversos acortan la vida útil de una cuerda más rápido. La norma EN 81-50 define la flexión inversa en ascensores en el artículo 5.12.2.3. 

5.12.2.3 Evaluación de Nequiv(p)

"Una curvatura se considera una curvatura inversa únicamente si la distancia entre los puntos de contacto de la cuerda en dos poleas consecutivas, que tienen una distancia fija entre sus ejes, es inferior a 200 veces el diámetro de la cuerda y los planos de flexión giran más de 1200 grados."

Según esta definición, la flexión inversa se considerará flexión recta si la distancia entre las poleas es superior a 200 veces el diámetro del cable. Porque el cable ha recuperado su estado normal y no es necesario tomar ningún factor de deformación ya que no habrá formación adicional. Teniendo en cuenta este artículo, incluso si el carro y las poleas conectadas al contrapeso se encuentran en un estado de flexión inversa, se considera una flexión recta. Aunque la norma especifica un tamaño máximo, no impone una restricción para el tamaño mínimo en el doblado inverso. Es necesario consultar los manuales de usuario de cuerdas y artículos relacionados para ello. 

Roland Verreet ha dado ejemplos de flexión inversa en su artículo mencionado anteriormente. El último ejemplo consiste en una flexión inversa en sí misma. Aunque cumple la misma función que en el ejemplo anterior, hay que prestar atención a la reducción de la vida útil del cable debido al sentido de flexión. Si se presta atención a los cambios en los períodos de mantenimiento que se deben realizar de acuerdo con las características del doblado, se ve que el período de mantenimiento en el doblado inverso también debe acortarse. También se dan los valores para el ciclo de doblado recto (doblado simple) a tomar contra el doblado inverso. En el cuarto gráfico de la figura siguiente se muestra que la flexión inversa puede corresponder a la flexión recta entre 2-9. Este número se toma como 4 en la implementación de elevación (como se indica en la fórmula anterior).

En los manuales de uso de varias empresas, se señala la necesidad de abrir la distancia entre las poleas como una de las principales medidas a tomar para minimizar el impacto de la flexión inversa. “Usha Martín Italia” declaró en el manual del usuario de cables que 100 veces el diámetro del cable se puede tomar como distancia entre las poleas para una flexión inversa de 90°, y esta distancia se puede tomar menos de 100° para ángulos más amplios. No puedo transmitir las explicaciones aquí ya que no está permitido publicar el artículo, pero aquellos que estén interesados ​​pueden descargar el folleto y verlo. Si el ángulo del cable de la polea es 90, L>100O pero si es inferior a 90, L<100. Esto está cerca y se ajusta a los valores dados en el video.

Es posible encontrar otro estudio sobre este tema en el libro titulado “Elevator Mechanical Design Third Edition, by lubomir janovski”, que es un importante recurso de diseño mecánico. En su libro, Janovsky hizo una tabla que muestra la relación entre el diámetro de la cuerda y la distancia en los estudios para minimizar el impacto de la flexión inversa. Se ve que los impactos de esta flexión alcanzan un nivel aceptable en aproximadamente 60 veces el diámetro del cable.

En los años 90, el uso de poleas de presión en ascensores estaba bastante extendido. Tales implementaciones se observaron con frecuencia en los controles realizados en esos años. La rotura de cuerdas era bastante común en las entregas donde esta práctica se realizaba mal. Debe evitarse en la medida de lo posible la flexión inversa de la cuerda en las prácticas de elevación. Este uso de poleas siempre supone un riesgo para los cables y la seguridad del ascensor. Dado que la flexión inversa requiere un mayor factor de seguridad, también requiere el uso de una sección de cable más grande. Las transferencias deben realizarse de tal manera que no se produzca una flexión inversa en las transformadas de la polea, incluso durante el desenrollado del cable.

El impacto de la flexión inversa en la capacidad de tracción

En la flexión inversa, la distancia de 60 de diámetro del cable entre las poleas puede verse como una condición de buena práctica de ingeniería en lugar de un requisito obligatorio, pero el propósito de hacer que esto sea obligatorio tiene más que ver con la seguridad que con prevenir la rotura de los cables del cable o prolongar la vida útil del cable. Durante la inspección del ascensor, el deber del inspector no es comprobar el confort o la calidad del ascensor sino identificar los riesgos existentes. Existe otro riesgo de utilizar la flexión inversa en los ascensores además del efecto de la rotura del cable. La proximidad de la polea de presión a la polea de tracción conduce al pinzamiento del cable y esto puede dificultar la condición de la polea requerida en el inciso c del artículo 9.3 en EN 81-1.

EN 81-1+A3; 9.3 Tracción por cuerda

"La tracción por cuerda deberá cumplirse de manera que se cumplan las tres condiciones siguientes:
.........
c) no será posible levantar la cabina vacía cuando el contrapeso esté apoyado sobre los topes y la máquina elevadora esté girada en la dirección "hacia arriba".

Abrazadera de cuerda es un riesgo grave para los ascensores y puede provocar que la cabina se estrelle directamente contra el techo del pozo sin una medida de retardo (como topes). Dado que se supone que el cable se deslizará a través de la polea de tracción si el contrapeso está bloqueado, la cabina puede reducir la velocidad para detenerse hacia arriba colocando topes debajo del contrapeso. El objetivo de colocar estos amortiguadores es desacelerar el automóvil mientras se mueve en dirección ascendente. Si las cuerdas no resbalan, no se tomarán medidas de seguridad en sentido ascendente para las velocidades en las que no intervenga el regulador. Durante las pruebas, se ha observado que la abrazadera no se ve a menudo en los ascensores con una distancia de 60 veces la distancia del cable entre las poleas de flexión inversa, y el cable puede deslizarse hacia el lado descargado. En épocas posteriores, también se aprecian prácticas defectuosas en las aplicaciones motoras. Dado que en las aplicaciones que se muestran a continuación se produjo el pinzamiento de los cables, los cables no se deslizaron sobre las poleas y el carro continuó su movimiento ascendente aunque el contrapeso se colocó sobre los amortiguadores en las pruebas de pozo. 

Durante los controles llevados a cabo en Izmir en 1998, se realizó una investigación sobre este tema en la Comisión Conjunta de Controles de Ascensor y después de examinar varios documentos, se aceptó que una distancia de 60 veces el diámetro del cable entre las poleas en flexión inversa se consideró adecuada en la Inspección de Licencia de Ascensor (así se llamaba entonces). Se detectó que la rotura del cable era relativamente menos común en las prácticas con la distancia adecuada entre las poleas de compresión y las poleas de tracción, y en muchas prácticas, los cables podían deslizarse sobre la polea sin pinzamiento de la cuerda. La investigación académica sobre este tema también será beneficiosa. En lugar de tales prácticas donde las poleas de presión o las poleas de retorno de cable corto, las prácticas como las siguientes que dejan distancias apropiadas entre las poleas darán resultados más precisos. 

Aunque las prácticas se realicen como se muestra en las figuras anteriores, aunque se dejen las distancias adecuadas, el pinzamiento del cable puede ocurrir dependiendo de varios factores como el tipo de cable, número de poleas de deflexión, tipo de ranura de la polea de tracción utilizada, el ángulo de bobinado, el ángulo de flexión inversa, la velocidad del elevador, el tipo de carga y más. Cada ascensor debe ser probado como se define en el artículo 6.3.3 de la norma TS EN 81-20 antes de su puesta en funcionamiento. 

EN 81-20; 6.3.3 Comprobación de la tracción (5.5.3)

"La tracción deberá comprobarse realizando varias paradas con la frenada más brusca compatible con la instalación.

El contrapeso se pondrá en contacto con los amortiguadores y la máquina continuará girando hasta que la cuerda se deslice, o si no se produce el deslizamiento, no se levantará la cabina. Se comprobará que el saldo es el indicado por el instalador.” 

Si el deslizamiento del cable no se produce sobre la polea, se aplicarán las prevenciones previstas en el apartado c) 2) del artículo 5.5.3 Tracción por cuerda en TS EN 81-20 M debe tomarse.

EN 81-20; 5.5.3 Tracción por cuerda

"……….
c) no será posible elevar la cabina vacía o el contrapeso a una posición peligrosa si la cabina o el contrapeso están calados; cualquiera:

1) los cables se deslizarán sobre la polea de tracción; o

2) la máquina debe ser detenida por un dispositivo eléctrico de seguridad de conformidad con 5.11.2.”

Este requisito se ha añadido recientemente con la norma EN 81-20. Si no se observa deslizamiento, se debe asegurar que la cabina se detenga con un mecanismo de contacto de seguridad conforme a 5.11.2, aparte de los interruptores de límite. El hecho de que se use una distancia de 60 veces el diámetro del cable entre poleas de flexión inversa no significa que los cables se deslicen de la polea dependiendo de las condiciones mencionadas anteriormente. En cada ascensor se debe ensayar el deslizamiento en función de sus características específicas y se deben tomar las medidas de seguridad necesarias. Cumplir con los requisitos de la norma es esencial. En tales ascensores, la colocación de tope debajo del contrapeso debe considerarse una precaución suficiente para frenar la cabina que se detiene en dirección ascendente, y también se debe realizar una suspensión de la cabina y una aplicación de tope en el pozo. Porque es el coche el que hay que proteger, no el parachoques. Las prácticas de flexión inversa deben evitarse en las cuerdas a menos que sea una necesidad.