Potencial de riesgo de los equipos de seguridad

Este trabajo fue presentado en  París 2014, Congreso Internacional sobre Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro Elevator Technology 20 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.

Resumen

Es una práctica preferida en todo el mundo probar el equipo de seguridad con pesas cuando los sistemas de ascensores se comercializan. Y la justificación es razonable: durante estas pruebas todos los componentes se someten a una prueba de esfuerzo mecánico para que se saquen a la luz las fallas realizadas durante la instalación y las deficiencias estructurales.

Pero en el peor de los casos, una parada de emergencia en caída libre con carga completa, esta prueba solo puede proporcionar una verificación de la efectividad del equipo de seguridad de una manera muy limitada o nula. Lo mismo se aplica a las inspecciones periódicas que se llevarán a cabo a intervalos específicos. Esto no solo se ha demostrado mediante numerosos ejemplos prácticos, sino que también se puede verificar físicamente con facilidad.

Mientras tanto, se encuentran disponibles varias alternativas a la inspección tradicional que permiten realizar una inspección mucho más segura y significativa de los paracaídas sin el uso de pesas.

1. Introducción

La justificación para probar los equipos de seguridad con pesas, una práctica preferida en casi todo el mundo cuando se comercializan sistemas de ascensores, es razonable. Durante estas pruebas todos los componentes están sometidos a un esfuerzo mecánico de modo que se sacan a la luz las fallas producidas durante la instalación y las deficiencias estructurales. Pero en el peor de los casos, una parada de emergencia en caída libre con carga completa, esta prueba solo puede proporcionar una verificación de la efectividad del paracaídas de manera muy limitada o nula.

Lo mismo se aplica a las inspecciones periódicas que se realizarán a intervalos específicos. Y esto no solo ha sido probado por numerosos ejemplos prácticos, sino que también puede verificarse físicamente fácilmente. Mientras tanto, se encuentran disponibles varias alternativas a la inspección tradicional que permiten realizar una inspección mucho más segura y significativa de los paracaídas sin el uso de pesas.

2. Situación inicial

2.1 Requisitos que deben cumplir los paracaídas de ascensores

Casi todas las normas de seguridad actualmente existentes para sistemas de ascensores requieren engranajes de seguridad para poder desacelerar de manera segura una cabina completamente cargada hasta una parada completa en una situación de caída libre.

Dependiendo de la norma aplicada, se especifican diferentes límites de desaceleración que no se pueden rebasar ni rebasar.

En muchos países se especifican distancias de deslizamiento mínimas o máximas en lugar de límites de desaceleración, midiéndose la longitud de las marcas de deslizamiento del paracaídas en los rieles, que, por supuesto, corresponde físicamente a la desaceleración alcanzada.

Por lo general, esto debe verificarse cuando el sistema se comercializa y durante las inspecciones periódicas (por ejemplo, en partes de Europa cada 2 años, en Norteamérica cada 5 años).

2.2 Prueba de los paracaídas con pesas de prueba

Desde que Elisha Graves Otis presentó su revolucionario freno de seguridad para ascensores durante la Exposición Universal de 1854 en Nueva York, los cables de suspensión de los sistemas de ascensores por lo general ya no se cortan deliberadamente para demostrar la eficacia del equipo de seguridad.

En cambio, el automóvil se carga con su carga nominal, se acelera en el modo de conducción hacia abajo antes de que se active el paracaídas a la velocidad nominal o la velocidad de disparo del limitador de exceso de velocidad. Las deceleraciones logradas se miden durante el proceso o posteriormente se derivan de las distancias de deslizamiento medidas en los rieles de guía.

Cuando las mediciones cumplen los requisitos de la norma de seguridad correspondiente y el equipo mecánico del sistema de ascensores no muestra signos de daño, se considera que el paracaídas ha superado la prueba.

2.3 Prueba de los paracaídas sin el uso de pesas de prueba

Cuando se comercializan nuevos sistemas de ascensores, los paracaídas se prueban con pesas de prueba en casi todo el mundo, excepto en Austria, donde una laguna en la norma europea que se cerrará pronto permite verificar la eficacia de los paracaídas utilizando sustitutos mediciones por medio de sistemas de prueba electrónicos especializados.

Durante más de 20 años, las inspecciones periódicas de los paracaídas en Alemania se han realizado generalmente sin el uso de pesas de prueba. En su lugar, se utilizan sistemas de prueba electrónicos que miden las fuerzas del paracaídas y derivan su efectividad para el sistema de ascensor en cuestión.

Con la edición 2013 de A17.1 (EE. UU.) Y / o B 44 (Canadá), estos sistemas de prueba ahora también se pueden usar en América del Norte para inspecciones periódicas.

3. Correlaciones físicas durante las pruebas de equipo de seguridad

Al observar la práctica preferida para probar el equipo de seguridad al empacar el automóvil con la carga nominal y detenerlo en una situación de exceso de velocidad o velocidad nominal, inmediatamente se hace evidente que no se prueba un requisito importante que deben cumplir los equipos de seguridad. en absoluto: ¡la eficacia del equipo de seguridad al desacelerar un automóvil completamente cargado hasta detenerse por completo en un escenario de caída libre! 

Este requisito está destinado a garantizar que, incluso en el caso más improbable de una falla general de la cuerda de suspensión, ninguno de los pasajeros resulte herido o muerto.

La diferencia entre el requisito y la prueba práctica también es físicamente sustancial, ya que ignora todas las fuerzas resultantes del contrapeso cuando existen cuerdas de suspensión. Partes de la fuerza de peso del contrapeso (FCW) actúan sobre el automóvil a través de las cuerdas de suspensión en la misma dirección que la fuerza de desaceleración del paracaídas (FS). En otras palabras: el contrapeso ayuda al equipo de seguridad a compensar la fuerza del peso del automóvil completamente cargado (FFC). Este soporte no existe en el peor de los casos cuando las cuerdas de suspensión ya no existen. Las siguientes ilustraciones de un modelo extremadamente simplificado muestran las fuerzas en el momento en que el automóvil hace una parada de emergencia durante una prueba práctica con pesas de prueba y cuando se detiene en una situación de caída libre.

Se puede suponer que en el momento en que se dispara el paracaídas las fuerzas FCW del contrapeso son prácticamente nulas ya que el contrapeso que se acelera hacia arriba continúa moviéndose hacia arriba debido a su intertia y que por lo tanto las cuerdas entre el contrapeso y el carro se aflojarían por un momento. . Exactamente en ese momento, la prueba práctica sería igual al requisito real de una parada de caída libre. Pero este no es el caso en absoluto, como se ha demostrado mediante numerosas mediciones prácticas. Los factores decisivos que impiden esto son las cuerdas que actúan como resortes largos que primero deben aflojarse nuevamente en función de su constante elástica. Dado que el proceso de desaceleración real solo dura unos pocos milisegundos, esto es algo que ocurre muy pocas veces.

(sólido: aceleración, rayado: carga en cuerdas de suspensión, punteado: velocidad)

Hora T1: Aceleración: 0.0 m / s²    FORCE: 28kN    Velocidad: -1.3 m / s

Hora T2: Aceleración: 2.3 m / s²    FORCE: 11kN    Velocidad: -0.7 m / s

Hora T3: Aceleración: -0.7 m / s²   FORCE: 2 kN     Velocidad: 0.0 m / s

La Ilustración 2 muestra claramente que la fuerza en los cables de suspensión se reduce continuamente (curva rayada) durante todo el funcionamiento del paracaídas (T1-T3). Al inicio de la operación del paracaídas, la fuerza es de 28 kN. En el momento T2, cuando el automóvil ya se ha decelerado a la mitad de la velocidad de disparo del limitador de sobrevelocidad, sigue siendo de 11 kN y al final de la operación del paracaídas sigue siendo de 2 kN.

Descuidar esta fuerza significaría una desaceleración calculada del automóvil completamente cargado en una situación de caída libre de 12 m / s² (~ 1.2 g). ¡Pero este resultado es incorrecto! En realidad, un escenario de caída libre produciría una desaceleración de solo 3 m / s² (~ 0.3 g) que evitaría lesiones personales graves en este sistema de ascensor.

Los experimentos empíricos han demostrado que estas influencias derivadas del contrapeso durante las pruebas del equipo de seguridad con un automóvil vacío y promediadas a lo largo de la duración del funcionamiento real del mecanismo de seguridad corresponden a aproximadamente el 50% de la fuerza del peso del automóvil completamente cargado. Y la influencia es aún mayor con un automóvil completamente cargado, ya que las desaceleraciones logradas en el automóvil y, por lo tanto, la diferencia de desaceleración entre el contrapeso y el automóvil son sustancialmente menores.

El modelo presentado en la ilustración 2 tiene la siguiente ecuación de movimiento:

en el que la aceleración y las fuerzas dependen del tiempo. A continuación, se examinan los valores medios simplificados durante el funcionamiento del paracaídas en el intervalo

entre t_comienzo y T_final, utilizándose las mismas denominaciones, por ejemplo:

Esto produce una fuerza media del paracaídas con un coche vacío de:

La distancia de frenado efectiva en la fase de deceleración óptima se calcula a partir de la deceleración media y la velocidad v al inicio de la deceleración mediante una doble integración:

La fuerza del paracaídas para un automóvil cargado con la carga nominal m_rl luego asciende a:

Suponiendo que la fuerza del mecanismo de seguridad durante el descenso de un automóvil con solo una carga pequeña o de un automóvil vacío es al menos no menor que la de un automóvil completamente cargado, estas dos fuerzas pueden considerarse iguales F_{S, E} = F_{S, F} y se puede utilizar para calcular la deceleración del paracaídas a carga nominal. Este procedimiento está permitido ya que la fuerza teórica de desaceleración del paracaídas no depende ni de la velocidad inicial ni de la carga del automóvil. Estos parámetros solo afectan la distancia de frenado y la desaceleración resultantes.

Se da una mejor presentación mostrando las fuerzas resultantes del contrapeso como un múltiplo a de la carga del carro:

A continuación, algunas transformaciones dan como resultado la deceleración del paracaídas con carga nominal:

Estas ecuaciones permiten extraer dos conclusiones interesantes:

1. La desaceleración del automóvil depende en gran medida de las fuerzas resultantes del contrapeso. Como ya se mencionó anteriormente, las fuerzas promedio resultantes del contrapeso a menudo corresponden a la mitad de la fuerza del peso del automóvil completamente cargado. Cuando esto se introduce en la ecuación (4), se hace evidente muy rápidamente que esto influye sustancialmente en las desaceleraciones y / o la longitud de la distancia de deslizamiento. Los resultados de estas características se ven claramente mejorados por las influencias del contrapeso de lo que serían mejorados en el peor de los casos con cables rotos.
2. La ecuación (5) muestra claramente que es posible utilizar la desaceleración durante el funcionamiento del paracaídas con un automóvil vacío para determinar la desaceleración y, por lo tanto, también la distancia de deslizamiento para un automóvil completamente cargado en una situación de caída libre cuando el peso y el valor nominal Se conocen la carga del coche y las fuerzas del contrapeso. Este elemento es utilizado por los sistemas de prueba electrónicos mencionados anteriormente y se tratará nuevamente más adelante.

4. Efectos del contrapeso en la declaración de inspección

Ahora es interesante aplicar estas reflexiones a la práctica común actual de inspeccionar paracaídas con pesas de prueba, que requiere que se haga una diferencia entre las inspecciones realizadas antes de que los sistemas de ascensores se comercialicen y las inspecciones periódicas.

4.1 Inspección del paracaídas antes de la comercialización del sistema

Cuando el sistema se comercialice, se puede suponer que los pesos reales del contrapeso y del automóvil se ajustan a los criterios de diseño en función de los cuales se ha seleccionado el paracaídas. Además, hay que suponer que el sistema se ha instalado correctamente y que, por ejemplo, el contrapeso o las guías de la cabina no se atascan, lo que soportaría inadmisiblemente el paracaídas en la deceleración.

El paracaídas seleccionado también ha superado en general un examen de tipo y, por lo tanto, ha demostrado que es capaz de desacelerar las cargas especificadas hasta detenerse por completo incluso en una situación de caída libre sin que se superen ciertos umbrales de desaceleración.

Pero si se analizan los dos principales criterios de prueba especificados en las normas de seguridad de todo el mundo y se conoce la influencia que se deriva del contrapeso, no se pueden ignorar algunos puntos débiles obvios.

4.1.1 Criterio de prueba: medición de la distancia de deslizamiento

Un principio de inspección como el especificado en la norma norteamericana ASME A17.1-2010 / CSA B44-10, por ejemplo, es desacelerar el automóvil completamente cargado que funciona a exceso de velocidad hasta una parada completa utilizando el paracaídas seguido de una medición de la distancia de deslizamiento. utilizando las marcas de los rieles guía. En ASME A17.1-2010 / CSA B44-10, Tabla 2.17.3 "Distancias de frenado máximas y mínimas para dispositivos de seguridad de automóvil Tipo B con carga nominal y dispositivos de seguridad de contrapeso Tipo B", se especifica un límite mínimo y / o máximo que debe ser alcanzado.

Para automóviles con una velocidad nominal de 1.25 m / s, por ejemplo, la norma especifica una velocidad de disparo del limitador de exceso de velocidad de 1.7 m / s, una distancia de frenado mínima de 150 mm y una distancia de frenado máxima de 675 mm.

Si luego se usa la ecuación (4) para calcular la fuerza promedio del paracaídas que al final se evidencia a la velocidad de disparo y la distancia máxima de frenado, un automóvil con un peso vacío de 2300 kg y una carga de 1100 kg resulta en  F_{S, F} = 40633 N - F_{CW, F} .

En contraste, hay una fuerza de 33354 N en un escenario de caída libre que haría que este automóvil se estrellara. Es absolutamente evidente que la fuerza FCW, F producida por el contrapeso no debe superar los 7279 N porque esto evitaría que el paracaídas desacelere el automóvil. Esto simplemente corresponde al 22% de la fuerza de peso del automóvil completamente cargado. En este sistema que realmente existe en Norteamérica, la influencia de contrapeso es cercana al 50%.

Esto produce el aterrador resultado de que, aunque la efectividad de este paracaídas de acuerdo con el estándar válido sobre la determinación de la distancia de deslizamiento es teóricamente correcta, esta cabina completamente cargada no podría detenerse por completo en caso de un escenario de caída libre. .

4.1.2 Criterio de prueba: medición de la desaceleración

Los otros criterios de prueba, por ejemplo, especificados en la norma europea DIN EN 81-1: 2010-06 en el capítulo 9.8.4 para paracaídas de freno son valores límite para una desaceleración en una situación de caída libre (independientemente de la carga real) de en mínimo 0.2 gy máximo 1.0 g. Esto se prueba deteniendo por completo el automóvil con el 125% de la carga nominal.

Aquí también el problema es que la prueba nunca se realiza con cuerdas de suspensión cortadas y que se desconocen las influencias del contrapeso. Por lo tanto, este criterio de prueba tampoco permite hacer una declaración sobre la efectividad del paracaídas en una situación de caída libre. En ciertos aspectos, esto puede conducir a las mismas condiciones desastrosas descritas en el criterio de prueba de la distancia de deslizamiento.

Las observaciones realizadas con respecto a la prueba con pesas antes de la comercialización del sistema ilustran que la eficacia de la seguridad en realidad no se prueba de forma exhaustiva ya que se desconocen las influencias del contrapeso.

Al final, hay que confiar en la calidad del trabajo realizado por la empresa instaladora, en el examen de tipo del paracaídas y, ante todo, en la exactitud de los pesos calculados del contrapeso y del coche.

4.2 Inspección periódica del paracaídas

En principio, las inspecciones periódicas de los paracaídas se rigen por los mismos principios ya mencionados para las inspecciones previas a la comercialización de los sistemas. Pero ahora se suma el factor influyente tiempo.

Mientras tanto, es posible que el sistema de ascensores se haya modernizado. A menudo, esto va de la mano con un aumento del peso del automóvil. La empresa que lleva a cabo la modernización ha recuperado habitualmente el equilibrio de contrapeso aumentando su peso. Como tal, las fuerzas resultantes del contrapeso pueden haber aumentado cuando se inspecciona el paracaídas, por lo que el resultado de la prueba es aún menos útil para probar la eficacia del paracaídas.

Dependiendo de las condiciones de servicio y del tiempo que el sistema de ascensor estuvo en funcionamiento puede haber desgaste de los paracaídas, guías, etc. En algunos casos este es otro factor que contribuye a un aumento de las fuerzas resultantes del contrapeso.

5. Inspección del equipo de seguridad mediante sistemas de prueba electrónicos

Como muestran las ecuaciones, es posible determinar la desaceleración de un automóvil completamente cargado en un escenario de caída libre a partir de la desaceleración del paracaídas probado con un automóvil vacío, siempre que se conozcan las influencias del contrapeso. Este principio se basa en el hecho de que la fuerza de un freno y, por tanto, del paracaídas se desarrolla independientemente del peso a desacelerar o de su velocidad. Para los sistemas de ascensores, esto significa que el paracaídas debe estar completamente enganchado y en esta condición debe aplicarse siempre la misma fuerza de desaceleración. Esta fuerza de desaceleración se puede determinar midiendo la desaceleración del automóvil y las fuerzas resultantes del contrapeso durante el funcionamiento del paracaídas. Una vez que se determina esta fuerza de desaceleración, es fácil calcular la desaceleración promedio del elevador en una situación de caída libre para cualquier carga aleatoria y velocidad inicial.

Por lo tanto, los sistemas de prueba electrónicos modernos constan de dos componentes principales: un sensor de aceleración montado en el automóvil y sensores de fuerza que miden las fuerzas en las cuerdas de suspensión inmediatamente encima del automóvil durante el funcionamiento del equipo de seguridad. Luego, las ecuaciones mencionadas anteriormente se utilizan para el cálculo de la efectividad del paracaídas. Dado que estos sistemas están en uso en Alemania y recientemente también en Norteamérica, se han identificado numerosos sistemas de ascensores en los que no se pudo verificar la efectividad del paracaídas a pesar de haber sido inspeccionados a intervalos recurrentes en el pasado, pero con pesos de prueba y sin conocer el influencias de contrapeso.

La superioridad física de este principio de medición con respecto a una posible afirmación sobre la eficacia del paracaídas es obvia. Es necesario agregar otro factor que a menudo se pasa por alto: un argumento importante para las inspecciones con pesas de prueba es la instalación y la prueba de calidad del material que se llevan a cabo al mismo tiempo en forma de una prueba de esfuerzo del sistema de ascensor mecánico. Cualquier deficiencia se revela mediante una inspección visual después de que el funcionamiento del equipo de seguridad termina en automóviles deformados, paneles internos destruidos, etc.

Pero se aplica en mayor medida a la prueba sin pesas de prueba. Dado que la fuerza de desaceleración del paracaídas es la misma en esta prueba que en la prueba con pesos, las desaceleraciones son mucho mayores y la distancia de frenado es mucho menor.

Por lo tanto, la desaceleración claramente mayor y más abrupta también provoca una tensión mecánica sustancialmente mayor para el sistema de ascensor. Un estrés que en el peor de los casos, por ejemplo, con un solo pasajero, debe soportarse.

6. Resumen

Este trabajo ha dejado claro que una prueba del paracaídas utilizando pesos de prueba y sin determinar las influencias del contrapeso no permite hacer una declaración sobre la eficacia del paracaídas, ni antes de su comercialización ni durante inspecciones recurrentes.

En Europa, por ejemplo, no se prueba el requisito especificado en EN81 con respecto a los límites de desaceleración en una situación de caída libre.

Sin duda, el aumento del nivel de seguridad es una de las razones por las que la actual edición 2013 de la norma norteamericana de ascensores A17 / B44 ha permitido sistemas de prueba electrónicos, aunque solo sea como una opción. Las inspecciones con pesas de prueba todavía están permitidas e incluso son obligatorias antes de comercializar el sistema.

Dado que las inspecciones sin pesas de prueba también van acompañadas de una prueba de esfuerzo mecánico sustancial para el sistema de ascensores, debe permitirse cuestionar la justificación de la inspección del equipo de seguridad utilizando pesas de prueba y preguntar si el uso de sistemas de prueba electrónicos no proporciona mucho mayor nivel de fiabilidad y seguridad.

Detalles biograficos
Tim Ebeling ha trabajado desde 2003 como jefe de desarrollo en Henning GmbH & Co. KG. En esta capacidad, ha establecido el centro de I + D en Braunschweig (Alemania). Un equipo de empleados trabaja ahora allí en el desarrollo y producción de componentes electrónicos y de medición para ascensores.
Desde 2012, el autor también es director gerente. Uno de sus puntos focales particulares es la tecnología de medición. Especialmente en esta área, el autor se remonta a muchos años de experiencia en el desarrollo de sistemas de medición de la carga de la cuerda y la aceleración.
El objetivo profesional del autor es enriquecer el mercado de ascensores con componentes de ascensores innovadores y oponerse al aumento de la presión de los costes en la industria de ascensores mediante el desarrollo de componentes eficientes, sostenibles y que ahorren mano de obra.