Estudio de viabilidad de elevación sin cuerda

Su autor cree que son inviables en este punto.

Palabras clave: ChatGPT, MMLS (sistema de elevación móvil múltiple), elevación sin cable, elevación sin contrapeso, levitación magnética, motor lineal

1. Introducción

Para probar ChatGPT, le hice una pregunta el 4 de abril de 2023: ¿Es posible o no un ascensor sin cable/sin contrapeso? La respuesta fue: 

“Sí, los ascensores sin cable o sin contrapeso son posibles y ya están siendo desarrollados y probados por empresas como ThyssenKrupp AG, Hitachi y otras. Estos ascensores utilizan tecnología de levitación magnética [maglev], similar a la que se utiliza en los trenes de alta velocidad, para subir y bajar la cabina del ascensor. La cabina del ascensor es propulsada por motores lineales instalados en las paredes del hueco y la cabina se mueve horizontalmente para alcanzar el piso deseado. Estos ascensores ofrecen numerosas ventajas, como tiempos de viaje más rápidos, menor consumo de energía y la capacidad de tener varias cabinas de ascensor moviéndose en el mismo hueco al mismo tiempo. Sin embargo, aún no están generalizados y requerirán cambios significativos en la infraestructura de los edificios existentes para instalarlos”.

1.1 Introducción a TRIZ

TRIZ (del ruso теория решения изобретательских задач) fue desarrollado por el inventor y autor de ciencia ficción soviético Genrich Altshuller (1926-1998) y sus colegas en 1946. En inglés, el nombre se suele traducir como "the theory of inventive problem resolution" (teoría de la resolución inventiva de problemas) y, en ocasiones, se conoce por el acrónimo inglés TIPS.

El principio básico de TRIZ es que un problema técnico se define por sus contradicciones. Es decir, si no hay contradicciones, no hay problemas.^{[ 1 ]}

1.2 Introducción al Despliegue de la Función de Calidad

El despliegue de la función de calidad (QFD, por sus siglas en inglés) es un método desarrollado en Japón a partir de 1966 para ayudar a transformar la voz del cliente en características de ingeniería para un producto. Yoji Akao, su creador original, describió el QFD como un "método para transformar las demandas cualitativas del usuario en parámetros cuantitativos, para desplegar las funciones que conforman la calidad y para implementar métodos que permitan alcanzar la calidad del diseño en subsistemas y componentes, y, en última instancia, en elementos específicos del proceso de fabricación".^{[ 2 ]}

Como la función o la calidad gastarán recursos de ingeniería, el diseñador debe considerar qué funciones son esenciales y qué funciones son insignificantes. La calidad debe estar determinada por la confiabilidad; debe ser lo suficientemente bueno para mantener una alta confiabilidad durante un cierto período. 

Para ver un ejemplo relacionado con la calidad: el obturador de una cámara de cine japonesa tenía un ciclo de vida de 40K, mientras que el obturador de una cámara de cine alemana tenía un ciclo de vida de 100K. Un rollo de película de 35 mm se puede convertir en 40 tomas, por lo que un ciclo de vida de 40K costaría 1,000 rollos de película; si un fotógrafo común tomara 100 rollos al año, el obturador de la cámara podría durar 10 años. Por lo tanto, un ciclo de vida de 40 100 es una especificación razonable, mientras que XNUMX XNUMX sería demasiado para los fotógrafos normales. 

Otro ejemplo con respecto a la función: compré un 28-in. televisión a color en 1997; la función Picture in Picture (PIP) era popular entonces. El de 28 pulgadas. TV a color con PIP tenía un precio igual a uno de 28 pulgadas. TV a color sin PIP más uno de 9 plg. televisión a color En realidad, la función PIP es casi inútil, pero era muy costosa en ese momento. Esto significaba, “El 9-in. guinda en un 28-in. el pastel es más caro que un pastel de 9 pulgadas. pastel." Este tipo de funciones costosas nunca deben tenerse en cuenta cuando diseñamos y desarrollamos los productos.

2. Fondo

Me uní a MovvéO Ltd. en junio de 2014 (la empresa se llamaba Lerch Bates Europe en ese momento) y fui el gerente de diseño hasta mayo de 2019. Durante ese tiempo, fui responsable de todos los diseños detallados de transporte vertical (VT) de MovvéO. 

Mi antiguo jefe, Adrian Godwin, tenía formación en electricidad. Sus diseños conceptuales de sistemas de transporte vertical (VT) siempre fueron brillantes: sus diseños para sistemas de control de ascensores —la aplicación de análisis de tráfico Adsimulo y la aplicación móvil AdInspect— siguen estando a la vanguardia en el sector de la consultoría de VT. Godwin creó muchas ideas innovadoras en el diseño de sistemas de VT. Entre sus diseños mecánicos se encontraba el «Skytrak» (varias cabinas en un hueco curvo), un concepto que ganó el premio inaugural de la IAEE (Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores) a la innovación de alta tecnología en 2010. Esta y otras ideas, especialmente el «Vertrak» sin cables, con varias cabinas en un hueco vertical (similar al MULTI de ThyssenKrupp Elevator, pero con un mecanismo diferente), resultaron muy difíciles (o imposibles) de realizar, ya que subestimó la complejidad técnica y sobreestimó la demanda del mercado.

Godwin no pudo utilizar el diseño asistido por computadora, mientras que yo soy un ingeniero mecánico profesional con una maestría en diseño de ingeniería y gestión de diseño de ingeniería; también soy un buen ingeniero eléctrico: el resultado del autoaprendizaje en China. Es posible que un ingeniero mecánico adquiera conocimientos eléctricos en casa o en el trabajo, ya que dicho conocimiento se basa en el pensamiento lógico en matemáticas y física, así como en la comprensión de teorías avanzadas, pero no al revés, ya que las habilidades y el conocimiento del diseño mecánico se basarían principalmente en una formación especial en el entorno universitario y en experiencias prácticas. No creo que el autoaprendizaje desde casa pueda formar a un buen ingeniero mecánico o diseñador.

Hay algunas diferencias entre Godwin y yo, ya que creo que la clave del diseño de ingeniería es implementar bien la función y las cualidades después de QFD, por lo que siempre uso tecnología bien establecida para modificar productos estándar existentes, en lugar de crear un nuevo producto. También me concentro en productos de gama media en lugar de gama alta, porque los productos de gama media son siempre los de mayor demanda y tienen el mayor margen en el mercado. Como consultores, debemos usar nuestra experiencia y tecnología bien conocida/bien establecida para ayudar a nuestros clientes a lograr el éxito.

Aunque nunca he realizado ninguna investigación o diseño en ascensores sin cuerda, Adrian y su padre, Michael Godwin, a menudo me solicitaban (no me exigían) que creara dibujos para su investigación de ascensores sin cuerda. Siempre accedí a la solicitud e hice los dibujos sin decir nada ni mostrar reticencias. Para ser honesto, odio tanto esos diseños: en primer lugar, no pensé que el mecanismo funcionaría; y en segundo lugar, nunca habían seguido ningún consejo mío.

Pero Adrian tuvo que confiar en mí para crear los dibujos. Simplemente seguí sus instrucciones para trabajar como dibujante sin decir nada. Siempre había estado muy satisfecho con mis dibujos. Incluso hice una demostración de animación en 3D del ascensor sin cuerda Vertrack para él (Figura 4).

3. Diseño de ascensor sin cuerda de Adrian Godwin

3.1 Generación de valor

3.2 Ventajas del sistema de elevación móvil múltiple (MMLS)^{[ 4 ]}

• MMLS proporciona un aumento del 80 % en HC de 5 min a un destino a 600 m sobre el suelo.
• Un solo MMLS nos puede dar una “calidad” de servicio adecuada de unos 25 s.
• MMLS puede darnos la misma capacidad de manipulación para destinos a 60, 600 o 1,200 m sobre el suelo.
• MMLS no requiere alta velocidad y, de hecho, la velocidad solo influirá en el tiempo de viaje.
• Para hoteles y/o instalaciones residenciales, la solución convencional pierde capacidad de manejo.
• MMLS tiene una capacidad de manejo igualmente alta en ambas direcciones sin degradación en HC de 5 min.
• MMLS también ofrece la posibilidad de poder interconectarse entre múltiples vestíbulos aéreos.

3.3 Conclusiones de Adrian Godwin^{[ 3 ]}

• MMLS hace viable un edificio de 1,000 m de altura.
• MMLS ofrece eficiencias de construcción de más del 75 %.
• MMLS permite edificios megaaltos sostenibles.
• Se requieren capacidades de simulación de tráfico para MMLS.
• Se requieren estrategias para incendios, bienes y residuos.

Godwin supuso que la velocidad máxima de su ascensor sin cuerda es de 4.0 m/s y que la altura del edificio es de 1,000 m como mínimo. Por lo tanto, el tiempo de espera puede cumplir con los criterios. Adrian, intencionalmente o no, ignoró el tiempo de viaje a los destinos, incluso si la velocidad del automóvil pudiera ser de 4 m/s y el tiempo de viaje desde el piso inferior hasta el último piso del edificio de 1,000 m fuera mayor a 250 s ( 4 min y 10 s). 

Cuando la velocidad es de 2.5 m/s, el tiempo de viaje desde el piso inferior hasta el piso superior del edificio de 1,000 m será mayor que 400 s (6 min y 40 s).

La situación es similar a la consulta de un cliente en el pasado: “El control convencional tiene un tiempo de espera más corto que el control de destino. ¿Por qué nos recomendó el control de destino? Mi respuesta fue: 

“Porque el control convencional mueve la cola desde el vestíbulo principal del ascensor hasta las cabinas de los ascensores, por lo que el tiempo de espera será más corto, pero el tiempo de viaje hasta el destino será insoportablemente largo, ya que la cabina puede detenerse en cada piso. El control de destino necesita más tiempo para agrupar a los pasajeros, a fin de minimizar el número de paradas, como resultado, el tiempo de espera sería más largo, pero el tiempo de viaje será mucho más corto”.

Respuesta de ChatGPT: 

“El sistema MULTI fue diseñado para operar sin cuerdas, utilizando motores lineales y tecnología de levitación magnética para mover las cabinas de los ascensores vertical y horizontalmente. Este diseño innovador permitió que varias cabinas de ascensor funcionaran en un solo hueco, lo que aumentó la capacidad y la eficiencia del sistema. Según Thyssenkrupp, el sistema MULTI tenía una capacidad máxima de 1000 kg (o aproximadamente 13 personas) por cabina de ascensor y una velocidad máxima de 5 m/s. Sin embargo, vale la pena señalar que la capacidad y la velocidad reales del sistema pueden variar según factores como la cantidad de cabinas de ascensor en funcionamiento y el entorno de instalación específico”. 

Creo que es posible una capacidad de 1000 kg, porque el sistema MULTI tiene un carro más ancho que el carro profundo de Vertrack, pero una velocidad máxima de 5 m/s sería imposible.

4. Cinco principios para evaluar la invención o el diseño

Su autor cree que las personas con experiencia saben lo que no se puede hacer en lugar de lo que se puede hacer. Mientras tanto, las medidas técnicas son siempre el último recurso para resolver un problema técnico. Antes de eso, se debe tener en cuenta el QFD. Por tanto, siguiendo los principios de TRIZ y QFD, el autor ha resumido cinco principios para evaluar el diseño o la invención:

4.1. El diseño/invención no debe tener contradicciones fundamentales sin resolver. 

Por ejemplo, baja velocidad frente a gran altura en la invención del ascensor sin cuerda. Peso propio del motor lineal versus rascacielos de más de 1,000 m. 

Para la velocidad de los ascensores de oficinas, una regla general es que velocidad = recorrido m/20 s, de modo que los ascensores de pasajeros deberían poder viajar desde el piso inferior al piso superior con algunas paradas intermedias dentro de los 60 s. 

Para cualquier ascensor, el tiempo mínimo de viaje desde el piso inferior hasta el piso superior debe ser de 60 s. Si es así, para los ascensores de pasajeros en un edificio de 1,000 m (torre residencial u hotel en la pila superior), la velocidad debe ser de al menos 1,000 m/60 s = 16.67 m/s. 

4.2. El diseño/invención no debe desobedecer ninguno de los principios de invención de TRIZ. 

Siguiendo la idea de Altshuller, la teoría TRIZ se desarrolló a partir de una extensa investigación que abarcó cientos de miles de inventos en muchos campos diferentes para producir una teoría que define patrones generalizables en la naturaleza de las soluciones inventivas y las características distintivas de los problemas que estos inventos han superado.^{[ 1 ]} 

Si algún diseño no sigue el principio TRIZ, es muy probable que no sea factible.

Por ejemplo, un ascensor de gran altura no tiene contrapeso, pero el uso de un contrapeso es uno de los 40 principios TRIZ para equipos de elevación (Tabla 2).

Un contrapeso tiene las siguientes funciones: 

• Compensa el peso de un objeto combinándolo con otro objeto que proporciona una fuerza de elevación.
• Compensa el peso de un objeto con fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicas influenciadas por el ambiente exterior.

ChatGPT: 

“La aceleración máxima del tren de levitación magnética de Shanghái es de aproximadamente 1.5 m/s² (4.9 ft/s²) y puede alcanzar una velocidad máxima de 430 km/h (267 mph) en 4 minutos.”

A=F/M, para elevación sin cable a=[Fg*(P+Q)]/M, como M=P+Q, por lo que sin CTW, F=a*(P+Q)+g*(P+Q) )=(g+a)*(P+Q)=(9.8+1)*(P+Q), 

Donde F=fuerza motriz, A=aceleración, P=peso del pasajero en kg, Q=peso del automóvil en kg, g=aceleración de la gravedad.

La aceleración debe ser de al menos 1 m/s2 para un ascensor de gran altura, por lo que la fuerza motriz por kilogramos de masa de un ascensor sin cable será 10.8/1.5 = 7.2 veces la de un tren de levitación magnética. Es por eso que, para equipos de elevación, se necesitará un contrapeso. Para un tren de levitación magnética, esto es F=a*(P+Q)+ Fr (Fr=fuerza de resistencia). Desde aquí se puede ver que un tren de levitación magnética es capaz de trabajar en horizontal, pero no es tan fácil que funcione en vertical.

Además de lo mencionado anteriormente, el tren de levitación magnética solo tendrá dos estaciones y una parada por viaje (el tren de levitación magnética del aeropuerto de Shanghái) o algunas paradas (el proyecto de tren de levitación magnética entre Tokio y Osaka en Japón tiene nueve estaciones y ocho paradas por viaje ), mientras que los ascensores de un edificio de 1,000 m darán servicio a 250 plantas, lo que supone 249 paradas potenciales. La aceleración y desaceleración frecuentes causarán otros problemas aún mayores. Como resultado, la idea del tren de levitación magnética no funcionará con un ascensor sin cuerda. Por lo tanto, usar el concepto de un tren de levitación magnética para construir un ascensor sin cuerda es inapropiado.

4.3. “La guinda nunca será más cara que el pastel”.

Por ejemplo, un ascensor sin cable será más caro que el edificio de poca altura donde se puede instalar el ascensor. Un tren de levitación magnética es parte de la infraestructura de una ciudad o un país, por lo que es posible que una megaciudad o un país construyan un tren de levitación magnética, pero que un edificio de poca altura instale un elevador sin cuerda no es realista.

ChatGPT: 

“El costo de construir un sistema de trenes de levitación magnética varía según varios factores, como la distancia a recorrer, el terreno, el diseño, los materiales utilizados y otros factores. La construcción del primer tren de levitación magnética comercial en China, el tren de levitación magnética de Shanghái, costó aproximadamente 1.2 millones de dólares estadounidenses por 30 km (40,000 100 dólares estadounidenses por metro de ida). Se espera que el proyecto de tren de levitación magnética propuesto entre Tokio y Osaka en Japón cueste alrededor de US $ 285.6 mil millones por XNUMX km. El costo de construir un sistema de trenes de levitación magnética suele ser más alto que el de un tren tradicional de alta velocidad debido a la tecnología involucrada. Sin embargo, la mayor velocidad y eficiencia de los trenes de levitación magnética puede resultar en una reducción significativa de los costos operativos con el tiempo. Pero el tren de levitación magnética es para el transporte público como infraestructura en una ciudad o en un país. La inversión podría recuperarse en el futuro”.

4.4. Una sola falla en un subsistema nunca debe causar una falla sistemática. 

Por ejemplo, uno de los vagones múltiples del ascensor sin cuerda se descompone en un solo eje unidireccional. Debe tenerse en cuenta una cuestión adicional relevante para el rescate, que es inaccesible para la cabina del ascensor cuando el ascensor se avería en el cielo. 

4.5. Nunca desafiando la limitación; Cualquier producto mecánico tiene una limitación física.

Cuando un dispositivo se acerca a la limitación, el resultado no es proporcional a la entrada. Si es así, será necesario cambiar el concepto. Por ejemplo, si 1,000 m es la limitación de la altura del edificio, preferiría aceptar 800 m como máximo, ya que el coste de dos edificios de 800 m con el doble de superficie útil puede ser inferior al de un solo edificio de 1,000 m.

La cabina de ascensor sin cable será similar, con una cabina de ascensor sin cuarto de máquinas (MRL) en voladizo 1:1 (con cuerdas) sin contrapeso. 

ChatGPT: 

“En general, la velocidad máxima de un ascensor tipo voladizo de 1000 kg suele ser de alrededor de 2.5 a 3 m/s. Sin embargo, esto puede variar según varios factores, incluida la altura del hueco del ascensor, la capacidad del motor y las características de seguridad incorporadas en el sistema del ascensor. Siempre es importante seguir las pautas del fabricante y las normas de seguridad locales al operar un elevador para garantizar un rendimiento seguro y confiable”.

Thyssenkrupp Aufzugswerke GmbH, que ya no existe, tenía un eslogan: "No aceptamos límites".

Pero Steve Jobs dijo: 

“Mi modelo de negocio son los Beatles. Eran cuatro tipos que se controlaban mutuamente, incluso con sus tendencias negativas. Se complementaban, y el resultado era mayor que la suma de las partes. Así es como veo los negocios: las grandes cosas nunca las hace una sola persona. Las hace un equipo.” 

De manera similar, mi modelo para el desarrollo de productos es QFD japonés: cualquier parte o componente tiene una calidad promedio o superior al promedio, pero se equilibran entre sí y el rendimiento total es mayor que la suma de las partes o los componentes. 

5. Posibilidad de ascensores Ropeless

Como se mencionó anteriormente, nunca desafíes la limitación. Cuando se acerca a la limitación, es necesario inventar un nuevo concepto.

Características del motor PM 5.1

T=BLR2πRA=2BA(πR²L)=2BAV

donde T=par (total), B=intensidad del campo magnético, L=longitud del conductor en el campo magnético, R=radio equivalente del motor y V=volumen del motor (sección equivalente del motor de X longitud).

Debido a la saturación magnética, la intensidad del campo magnético no se puede aumentar infinitamente. Para aumentar el par, solo hay dos formas disponibles: aumentar el diámetro del motor y/o aumentar la longitud del motor. Por eso, los motores PM suelen fabricarse planos (delgados pero de gran diámetro) para obtener el mayor par posible. Otro propósito de un rotador de gran diámetro es obtener una mayor relación entre el rotador y la polea motriz, ya que el par es proporcional al cuadrado del radio.^{[ 5 ]}

Creo que el elevador sin cuerda deberá tener el motor PM en el automóvil en lugar de ser impulsado por motores lineales. Como resultado, el ascensor sin cuerda solo puede tener dos estilos:

5.2. Piñón y cremallera

5.3 Ruedas de fricción en el automóvil

Este Univator Drive Concept tiene dos contradicciones fundamentales: 

• Cualquier punto de la varilla tiene la misma velocidad, pero cuando el carro está en aceleración o desaceleración, cada motor tiene una velocidad de rotación diferente entre sí. 
• Si el automóvil circula por una curva, la curva tendrá el mismo radio de curvatura, al igual que la barra.

Además de los dos puntos anteriores, ¿por qué los pasajeros necesitan viajar en una curva? ¿En qué tipo de edificios será necesario?

Univator es similar, con un elevador de rueda de fricción curvo, pero para el elevador sin cable, la rueda de fricción debe montarse en los dos lados de cada cabina de ascensor en lugar de los motores lineales en todo el recorrido hacia arriba/abajo de los ejes de ascensor unidireccionales.

7. Conclusiones

1. Personalmente, creo que, en las circunstancias actuales, los ascensores sin cuerda son inviables. Solo si se producen nuevos materiales, como supermagnéticos, superconductores, superbaterías o supercondensadores, el ascensor sin cuerda puede ser posible. Si en el futuro se inventa un motor muy pequeño, pero muy potente, y se puede montar directamente en la cabina, entonces sería posible realizar el ascensor sin cuerda. Al igual que el ascensor MRL, una forma de ubicar un motor PM sin engranajes directamente en el eje para eliminar la sala de máquinas como resultado de la invención del motor PM.
2. La transmisión de energía será a través de electricidad. Se debe utilizar un contrapeso eléctrico en el dispositivo cuando la cabina está bajando o frenando. El motor generará electricidad para ser guardada en la súper batería o capacitor.
3. Un automóvil sin ruedas no es el vehículo. Será un aerodeslizador o un avión, por lo que el elevador sin cuerda o el elevador sin contrapeso pueden ser solo un tipo de avión, pero tiene un nombre como "puente aéreo", que es similar a airbus, donde airbus no es un autobús.
4. Todo producto mecánico tiene sus limitaciones físicas, como el proverbio alemán «Los árboles no crecen hasta el cielo», que se traduce como «Bäume wachsen nicht in den Himmel». La tecnología de construcción actual quizás no permita construir rascacielos de más de 1,000 metros de altura, ya que su propio peso podría provocar el colapso del edificio.
5. Nunca desafíes la limitación porque el resultado no está en proporción con la entrada cuando te acercas a la limitación.

8. Nota del autor

La necesidad del cliente es el principal motor de la innovación, pero también está impulsada por la relación precio-rendimiento (RPR) o el retorno de la inversión (ROI). Me opongo a la idea de que "la innovación por sí sola no es suficiente". Sin una necesidad del cliente, cualquier innovación será ciencia ficción. Por eso SpaceX, de Elon Musk, tiene éxito, mientras que Virgin Orbit, la compañía de cohetes del multimillonario británico Sir Richard Branson, se declaró en bancarrota en Estados Unidos tras no conseguir nuevas inversiones.

Finalmente, me gustaría compartir una cita de Steve Jobs con mis colegas que todavía están involucrados en el desarrollo de los ascensores sin cuerda: “A veces, cuando innovas, cometes errores. Es mejor admitirlos rápidamente y seguir mejorando sus otras innovaciones”.

Referencias

[1] TRIZ - Wikipedia

[2] Despliegue de la función de calidad - Wikipedia

[3] Adrián Godwin. MMLS: El futuro del transporte vertical para edificios altos. Adrian Godwin, 7º Simposio sobre tecnologías de ascensores y escaleras mecánicas 

[4] Adrián Godwin. Últimas tendencias en diseño de transporte vertical y Bim (Adrian Godwin Lunch time CPD)

[5] Hongliang Liang. China Elevator, octubre de 2018 en chino; Elevator World, agosto de 2020 en inglés, y Elevator World Middle East, cuarto trimestre de 4 en árabe e inglés.

[6] Rueda de fricción - Coasterpedia - La wiki de montañas rusas y atracciones planas