Análisis de sensibilidad de las variables de diseño de instalación de cabinas elevadoras para guiar el desgaste de los zapatos

By Elevator World | Tecnología | Agosto 1, 2011

16 minuto de lectura

Análisis de sensibilidad de las variables de diseño de instalación de cabina de ascensor a la figura 2

Figura 2. Observaciones por SEM. Formación de ondas en la superficie desgastada de TPU

Descripción general de la IA

Un análisis de sensibilidad numérica combina la caracterización detallada del tribómetro, la inspección SEM y la simulación de elementos finitos para modelar el desgaste de las zapatas guía de TPU y el diseño de la instalación de la guía. Se ajustó una ley de desgaste basada en Archard a las pruebas recíprocas, pero se modificó para tener en cuenta una dependencia de carga no lineal y una analogía con el crecimiento de grietas por fatiga, identificándose el cizallamiento subsuperficial máximo como el impulsor de la iniciación de grietas. El desgaste se implementó en ABAQUS a través de UMESHMOTION y mallado adaptativo con una estrategia de ciclo acelerado, revelando el rodaje impulsado por la evolución geométrica y de la presión de contacto. Los resultados de sensibilidad muestran que la posición de tracción de elevación domina el desgaste, el desplazamiento ascendente aumenta el desgaste, el peor caso es 62.5 % de tracción, zapatas de 100 mm y carga en CDE, y no se encontraron efectos cruzados.

Se presenta un análisis de sensibilidad numérica de cómo varias variables de diseño de una instalación de cabina de ascensor determinan el desgaste de las zapatas guía.

FJ Martínez¹, R. Monge1, MA Martínez², JA Roig³, A. Gómez¹ y MA Jiménez¹
¹Instituto Tecnológico de Aragón, Área de Investigación, Desarrollo y Servicios Tecnológicos, Zaragoza, España
²Universidad de Zaragoza, España
³MP Lifts, España

Este trabajo fue presentado en Lucerne 2010, el Congreso Internacional sobre Tecnologías de Transporte Vertical y publicado por primera vez en el libro Elevator Technology 18 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: zapatos guía, desgaste, simulación de elementos finitos, TPU, guías de carros elevadores

Resumen

Se presenta un análisis de sensibilidad numérica de cómo varias variables de diseño de una instalación de cabina de ascensor determinan el desgaste de las zapatas guía. El análisis se basa en simulaciones de elementos finitos en combinación con un modelo desarrollado por el usuario para el desgaste del polímero. La simulación del proceso de desgaste en las zapatas guía sigue una metodología numérica-experimental basada en la caracterización inicial del desgaste mediante pruebas reciprocantes en tribómetro a escala de laboratorio; a partir de los resultados de las pruebas de laboratorio es posible derivar un modelo de desgaste para el material de las zapatas guía, que luego se implementa en un código comercial de elementos finitos para realizar predicciones finales de desgaste considerando parámetros reales de instalación.

1.Introduction

La tribología juega un papel destacado en la interacción entre las partes del sistema en componentes de componentes mecánicos que incluye partes hechas de polímeros o elastómeros, como puede ser el caso de la industria de ascensores. Sin embargo, en general, la tribología se suele aplicar en un sentido muy específico a un par de contactos en particular, aplicándose específicamente desde un punto de vista experimental mediante un trabajo basado en la experiencia y en un método de “trail-error”, en lugar de desarrollar un conocimiento micro y macro de las propiedades tribológicas del sistema. Además, no existe un conocimiento general en materias clave como lubricación, fricción o desgaste. En este punto, la investigación sobre las propiedades tribológicas de los materiales involucrados en el par de contactos así como el desarrollo de herramientas de modelado para ser aplicadas al componente industrial es realmente importante. Esta investigación se puede utilizar en diferentes etapas del desarrollo de componentes para una aplicación posterior bajo premisas de mayor eficiencia, mayor seguridad, menor costo y menor impacto ambiental.

El trabajo propuesto en este trabajo toma como punto de partida el desarrollo de una metodología completa para la caracterización y modelado numérico, mediante simulación de elementos finitos, del desgaste de materiales termoplásticos sobre contrafuertes metálicos trabajando en condiciones de contacto deslizante. La metodología se puede dividir en tres actividades principales: a), desarrollo de una metodología robusta para caracterizar el proceso de desgaste del poliuretano mediante tribotest; b), selección de un modelo de desgaste adecuado a partir del resultado obtenido en los tribotests y ajuste de los parámetros del modelo, que se apoya en el análisis paralelo de los mecanismos de falla que se encuentran presentes en el contacto entre ambas partes y de la analogía. entre el proceso de desgaste y la fatiga crece material; yc) la implementación numérica del modelo de desgaste en un código de elementos finitos, con especial énfasis en cómo acelerar las simulaciones sin influir significativamente en la precisión de los resultados. Una vez que esta metodología está completamente desarrollada, se puede aplicar a la etapa de diseño del componente, mostrando un ejemplo de aplicación mediante un análisis de sensibilidad numérico de cómo varias variables de diseño de una instalación de cabina de ascensor determinan el desgaste de las zapatas guía. Finalmente, también se presenta el diseño, desarrollo y puesta en marcha de un nuevo tribómetro, manteniendo la misma configuración recíproca, de carrera más larga que la utilizada para caracterizar el modelo de desgaste.

2. Descripción general de la metodología

2.1 Caracterización del modelo de desgaste

En cuanto a la caracterización del proceso de desgaste, los tribotests se planifican y desarrollan en un tribómetro comercial (modelo Plint TE 77), mecanizando las probetas del par de contacto de la aplicación real, inserto de zapata guía y guía de elevación, para analizar en primer lugar cuáles son las variables más influyentes en el proceso de desgaste. La configuración recíproca en el tribómetro se elige para mantener la misma estructura de superficie en el par de contactos que en la aplicación real (ver Figura 1). A lo largo de estas pruebas, se han analizado muchas dependencias variables, como la carga, la distancia recorrida, la frecuencia de la prueba, la influencia de la temperatura de contacto en el proceso de desgaste, la variación de perfilometría y los residuos de desgaste generados. Para controlar la influencia de todas estas variables, se debe realizar un procedimiento robusto para la caracterización de las pruebas de desgaste, incluyendo, adicionalmente, pasos de limpieza y mantenimiento de las probetas, pasos previos de preacondicionamiento en carga y frecuencia, soplado sobre la pista de contracara. para eliminar los restos de polímero y activación de la resistencia térmica para gestionar la homogeneización de la temperatura de prueba. A lo largo de los ensayos de desgaste se controla la evolución de las curvas de carga, temperatura y coeficiente de fricción, así como la pérdida de peso de la probeta. Los detalles del procedimiento experimental desarrollado se publican en Martínez et al. (2010 (a)). Como ejemplo de repetibilidad de los resultados obtenidos en el procedimiento, la Tabla 1 muestra los obtenidos bajo una de las condiciones consideradas (75 N de carga y 500 m de distancia recorrida).

2.2 Desarrollo del modelo de desgaste

Con respecto al desarrollo del modelo de desgaste, se toma como punto de partida la ley de Archard (Archard, 1953; Greenwood y Williamson, 1966; Sarkar, 1980; Molinari et al., 2001; Liu y Li, 2001) para ajustar los resultados del tribotest de desgaste. Este modelo relaciona el desgaste en términos de pérdida de volumen linealmente con la distancia recorrida y la carga aplicada por medio de una tasa de desgaste específica denominada constante. A pesar de que existen autores en la literatura que han señalado las limitaciones de este modelo para caracterizar el desgaste en polímeros, todavía es ampliamente utilizado por otros autores, siendo tomado como referencia en este trabajo por la simplicidad de caracterizar este modelo a partir de datos de tribotest de desgaste.

El ajuste de las pruebas tribales de desgaste da una relación independiente entre la tasa de desgaste específica y la distancia, pero una dependencia no lineal entre la tasa de desgaste específica y la carga aplicada, lo que contradice lo establecido por el modelo de Archard. Para estudiar en profundidad esta relación y el parámetro físico que rige el proceso de desgaste, se desarrolla un análisis numérico-experimental ubicado en el par de contactos. Este análisis consiste principalmente en un estudio de la superficie desgastada del polímero mediante inspecciones de microscopía electrónica (SEM) y un análisis mediante simulaciones de elementos finitos de los tribotests de desgaste ubicados en el par de contactos, con el fin de obtener la distribución y evolución de las tensiones. con respecto a la carga aplicada. A partir de inspecciones de superficies desgastadas, como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3, se observan fenómenos como la formación de olas y la delaminación (Bartenevev y Lavrentev, 1981; Johnson, 1995; Suh et al., 1998; Da Silva et al., 2007) , mientras que a partir del análisis de elementos finitos (ver Figura 4 y Figura 5), los esfuerzos cortantes máximos se ubican en la zona subsuperficial, lugar más propicio para el inicio de la fisura que en la superficie, donde se ubican los esfuerzos compresivos máximos (Jia y Ling, 2007 ; Liu et al., 1989; Marchenko, 1990). Adicionalmente, analizando las ecuaciones del modelo de desgaste ajustado a partir de tribotest y del crecimiento de grietas por fatiga en la zona de crecimiento estable (ver ecuaciones 1, 2 y 3), se obtiene una clara analogía entre ambos fenómenos (Thomas, 1974; Cho y Lee, 2000). ).

Para los fenómenos de desgaste, se puede establecer una relación potencial entre la variación de la altura de desgaste (Dh) con respecto a una longitud característica en la dirección de la distancia recorrida en tribotests (D1) y la fuerza aplicada (F) mediante los coeficientes de ajuste α y β (ver ecuación 1).

Dh / Dl = α * (F exp β) (1)

Por otro lado, el ajuste de datos del tribotest de desgaste con diferentes funciones se muestra en la Figura 6.

donde el mejor ajuste de datos se obtiene con la ecuación (2), ecuación que se puede relacionar directamente con la ecuación (1).

W / γ = 1.755 E-6 * (F exp 1.876) (2)

Para el fenómeno de propagación de grietas por fatiga, en la zona de propagación estable, se puede establecer una relación potencial entre la variación de la propagación de la grieta (Da) con respecto a una longitud característica en la dirección de la distancia recorrida (D1) y la fuerza aplicada (F) mediante las constantes del material B' y β' (véase la ecuación 3). Para los polímeros, β' toma valores entre 1.5 y 3.5 (Andrew, 1995), rango en el que se incluye el coeficiente β de la ecuación de desgaste.

Da / Dl = B' * (F exp β') (3)

2.3 Implementación numérica del modelo de desgaste

En cuanto a la implementación numérica del modelo de desgaste, se propone una estrategia de modelado de desgaste que permita tratar con geometrías y condiciones de contacto muy generales. Esta estrategia utiliza la subrutina UMESHMOTION proporcionada por ABAQUS, relacionando la pérdida de volumen del material con la velocidad de ablación de la superficie exterior, en contacto con la superficie deslizante del contramaterial. Esta subrutina se utiliza en paralelo a la técnica de mallado adaptativo, herramienta de mallado de suavizado que se basa en técnicas ALE y se utiliza al final de cada incremento convergente. Esta técnica define las velocidades de restricción a la zona de malla adaptativa, definida por el usuario, ajustando los nodos de esta zona y permitiendo que la malla se mueva independientemente con el material.

A lo largo de la implementación numérica del modelo de desgaste se desarrollan dos metodologías adicionales: la primera está relacionada con el ajuste del modelo de fricción a partir de los datos del tribotest debido a la estrecha relación entre los fenómenos de desgaste y fricción en los polímeros, y la segunda a la implementación de el modelo de desgaste de forma acelerada debido al elevado número de ciclos y largas distancias recorridas en las pruebas de desgaste, de modo que la prueba de desgaste pueda acelerarse numéricamente en un número reducido de ciclos de simulación, permitiendo la implementación numérica del problema en un cálculo razonable tiempo. La Figura 7 muestra el modelo de elementos finitos de uno de los tribotests de desgaste. Los detalles de este procedimiento numérico para implementar el modelo de desgaste se incluyen en un artículo enviado a la revista Tribology International, actualmente en revisión, mientras que los detalles de todo el procedimiento numérico se incluyen en Martínez (2010 (b)).

En cuanto al procedimiento numérico establecido para implementar el modelo de desgaste de forma acelerada, el primer paso consiste en analizar la evolución de la curva de desgaste para comprobar la zona con mayor variación de desgaste. De acuerdo con los resultados obtenidos, la mayor variación de desgaste se produce al inicio de la curva, representando la etapa de rodaje, disminuyendo significativamente la tasa de desgaste desde una distancia recorrida que va desde alrededor de 100 ma alrededor de 200 m, representando la etapa estacionaria. Ambas etapas corresponden a las etapas típicas de una curva de desgaste, citadas en la literatura por autores como Zhang (1998) y Cho y Lee (2000). Sin embargo, de acuerdo con los resultados obtenidos de este procedimiento numérico, la etapa de rodaje inicial no responde al mismo motivo señalado en la literatura. Estos autores concluyeron que la etapa de rodaje se debe a la eliminación de microasperezas del contramaterial, mientras que de acuerdo con los resultados obtenidos en este trabajo mediante simulaciones de elementos finitos, el desgaste inicial se debe a la importante variación geométrica de la probeta, que resulta de la alta distribución de la presión de contacto en la muestra al comienzo del proceso de desgaste. La etapa de mayor variación de la distribución de la presión de contacto coincide también con la mayor variación de la tasa de desgaste. Las Figuras 8 y 9 muestran la evolución de la presión máxima de contacto así como la evolución de la pérdida de volumen obtenida en una de las simulaciones realizadas para enunciar el procedimiento numérico de implementación del modelo de desgaste.

3. Análisis de sensibilidad de las variables del diseño de la instalación

Como muestra de la aplicación de la metodología desarrollada y con el fin de mostrar la aplicación de la metodología al proceso de diseño y desarrollo de un componente industrial, se realiza un análisis de sensibilidad de las variables de diseño de la instalación para guiar el desgaste del calzado. Para ello, se utilizan los resultados de las simulaciones del proceso de desgaste de los insertos de zapata guía de poliuretano termoplástico (TPU) en el sistema de guiado de un ascensor (ver Figura 10 y Figura 11). El modelo de elementos finitos considera los insertos de zapata guía como cuerpos deformables, mallados en detalle, especialmente en las zonas de contacto con las guías de la cabina del ascensor, modelando el resto de las piezas como cuerpos rígidos y uniendo los puntos característicos del modelo mediante vigas rígidas. .

En el análisis de sensibilidad de las variables, el objetivo es identificar cuáles son las variables más influyentes en el proceso de desgaste de las inserciones de las zapatas guía y si existe algún efecto cruzado entre ellas. Como ejemplo, este estudio toma como variables la posición relativa del tirón de elevación, la posición de la carga externa en la plataforma y la longitud de las zapatas guía, considerando tres casos para la posición relativa del tirón de elevación y dos casos para las otras dos variables, por lo que que se tomen en consideración 12 casos en total, combinando todas las variables. La posición relativa del tirón de elevación se refiere en porcentaje como

(LPULL / LTOTAL * 100, con LTOTAL la distancia entre guías y LPULL la distancia desde la posición de tiro de elevación hasta la guía en contacto con las zapatas guía S2-S3 (ver Figura 10). La Tabla 2 muestra los diferentes valores tomados para las tres variables .

Cada caso se simula mediante un ciclo ascendente y descendente, de 193 m de distancia recorrida equivalente en cada caso, con una distancia total recorrida de 386 m. Las Figuras 12, 13 y 14 muestran, respectivamente, los resultados individuales de cada simulación, valores medios en cada variable y efectos cruzados, calculados como valores medios entre pares de variables, en todos los casos a la distancia total recorrida estimada de 386 m. Para este último análisis, se muestran tres gráficos diferentes en cada figura: el gráfico superior izquierdo representa la relación entre la zona de aplicación de carga (curva negra para el primer caso y curva roja para el segundo) y la longitud de la zapata guía (casos en gráfico abscisas), el gráfico superior derecho relaciona la zona de aplicación de la carga (curva negra para el primer caso y curva roja para el segundo) y la posición relativa del tirón de elevación (casos en abscisas del gráfico), mientras que el gráfico inferior relaciona la zapata guía longitud (curva negra para el primer caso y curva roja para el segundo) y la posición relativa del tirón de elevación (casos en abscisas del gráfico). Para más detalles, ver Martínez (2010 (b)).

Las principales conclusiones que surgen de este análisis son que el caso con mayor desgaste total es aquel que corresponde al 62.5% de la posición relativa del tiro de elevación, 100 mm de longitud de las zapatas guía y carga aplicada en CDE. Además, comparando los movimientos hacia arriba y hacia abajo, el desgaste en el movimiento hacia arriba es mayor que el correspondiente al movimiento hacia abajo debido a la mayor rotación del bastidor del elevador en el caso hacia arriba, siendo la posición relativa del tirón del elevador la variable más influyente en el análisis. del desgaste de las zapatas guía, y sin presentar ningún efecto cruzado entre ninguna variable. Como conclusión principal, se puede decir que este análisis muestra la conveniencia e idoneidad de la herramienta de implementación numérica del proceso de desgaste en la fase de diseño y desarrollo de un componente industrial, identificando cuáles son las variables más influyentes en el desgaste de la zapata guía. .

4. Diseño y desarrollo de un nuevo tribómetro de carrera más larga

Los conocimientos adquiridos en la caracterización experimental del proceso de desgaste en tribómetro se han utilizado para diseñar, desarrollar y poner en marcha un nuevo tribómetro, también en configuración reciprocante, de carrera más larga que la utilizada para caracterizar el modelo de desgaste. Este nuevo tribómetro cumple con las especificaciones surgidas del trabajo anterior con el objetivo de solucionar las limitaciones del tribómetro de carrera corta, ya comentadas, intentando acercar el rango de variables de trabajo a las presentadas en el componente real. Por lo tanto, al aumentar la carrera de prueba, también aumenta la zona de velocidad media. Además, el aumento de la carrera de prueba disminuye la frecuencia de prueba y por lo tanto la temperatura alcanzada en el par de contactos, variable fuertemente relacionada con el desgaste del material, disminuye. La Figura 15 y la Figura 16 muestran el tribómetro de carrera más larga, diseñado para cargas verticales hasta 1000 N, velocidad lineal entre 0.1 m / sy 2 m / s, control de temperatura en condiciones de trabajo desde 25ºC hasta 40ºC y carrera variando desde 85 mm hasta 850 mm.

5. Conclusiones

En este trabajo, se propone y desarrolla una metodología para abordar el problema del desgaste en un par de contactos deslizantes de TPUmetal desde un punto de vista numérico-experimental. Este procedimiento se ha configurado en diferentes fases: una primera realizada para caracterizar experimentalmente el problema de desgaste, una segunda etapa de modelado de desgaste a partir de los resultados experimentales previos obtenidos en la primera fase y una tercera para implementar numéricamente el modelo de desgaste. Adicionalmente, como cuarta etapa, también se presenta un ejemplo de aplicación de esta metodología en el proceso de diseño y desarrollo de un componente industrial, con el análisis de sensibilidad de varias variables de diseño de instalación, mostrando la conveniencia e idoneidad de la herramienta de implementación numérica del proceso de desgaste de un componente industrial, identificando cuáles son las variables más influyentes en este proceso. Como acciones futuras, y mediante pruebas con el tribómetro de carrera más larga ya puestas en marcha, la principal actividad está relacionada con acelerar las pruebas de desgaste, acercándolas a las condiciones de trabajo de la aplicación real.