Medios de suspensión: nivelación de cargas para prolongar su vida útil

Los sistemas de alineación de cables hidráulicos reducen sustancialmente el desgaste de los cables en cualquier sistema de ascensor.

Este trabajo fue presentado en Berlín 2018, el Congreso Internacional sobre Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro de la IAEE Tecnología de ascensores 22, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores.  (www.elevcon.com).

En los últimos años, se han identificado problemas crecientes con el desgaste excesivo de los medios de suspensión en los ascensores, particularmente en los sistemas sin cuarto de máquinas (MRL). Las causas son numerosas, pero la distribución de la carga dentro del juego de cables es de gran importancia. Según los conocidos estudios del profesor Klaus Feyrer en la Universidad de Stuttgart, la vida útil de todo el juego de cables se puede reducir hasta en un 40% si un cable se desvía solo un 15% del valor medio de todas las cargas de cable del juego. . Utilizando un principio físico conocido desde hace mucho tiempo, se ha desarrollado un dispositivo para instalación permanente con el que las cargas del cable se pueden compensar de manera óptima sin suministro de energía externa (incluso durante el recorrido del ascensor) en instalaciones nuevas y existentes. Este artículo tratará sobre el principio de funcionamiento, el diseño elegido y los resultados de los ascensores seleccionados.

Introducción

Los desarrollos en el mercado de los ascensores han llevado a los ascensores actuales a perder la validez de la estimación tradicional de la vida útil de un cable de entre 10 y 20 años, una vida útil que antes no se lograba en casos de mantenimiento y / o montaje deficientes o extremos. condiciones ambientales.

La demanda de sistemas de ascensores con requisitos de espacio tan pequeños como sea posible continúa sin cesar, y las ventajas para los arquitectos y propietarios de edificios son muy evidentes. Estos sistemas, que generalmente se diseñan como elevadores de tracción sin sala de máquinas, poseen varias particularidades en cuanto a sus medios de suspensión:

• Suspensión múltiple (2: 1 o superior)
• Diámetros de polea de tracción reducidos
• Correas o diámetros de cable reducidos, que permiten un radio de curvatura lo más pequeño posible

Estas características, que se han fabricado según los deseos de los clientes, tienen efectos negativos en la vida útil de los medios de suspensión, en comparación con los sistemas elevadores de suspensión directa con diámetros de cable superiores a 8 mm y poleas de tracción grandes.

La función de suspensión múltiple, para la cual la transmisión se coloca con frecuencia directamente en el eje para ahorrar espacio, requiere más rodillos de desviación. Esto significa más puntos de flexión para los medios de suspensión, generalmente también con contradoblado, lo que aumenta sustancialmente el desgaste de los cables de acero.

Para reducir aún más el espacio de construcción requerido, es conveniente, por supuesto, reducir también los diámetros de la polea de tracción y los rodillos de desviación; al mismo tiempo, esto permite la aplicación de accionamientos económicos, que ofrecen alta velocidad pero un par relativamente bajo. Debido a que los medios de suspensión no permiten un radio de curvatura tan pequeño como podría ser necesario, es decir, la relación entre el diámetro de la polea de tracción y el diámetro del medio de suspensión (D/d) no puede ser demasiado pequeño, los diámetros de los medios de suspensión también deben reducirse. Por lo tanto, con frecuencia se pueden encontrar diámetros de cable de aproximadamente 6 mm en ascensores sin sala de máquinas.

Es obvio que cuanto menor sea el diámetro del cable, menor será la capacidad de carga de estos cables, lo que significa que entonces se requieren múltiples cables (lo que aumenta sustancialmente la posible capacidad de flexión), o que se deben utilizar cables de mayor resistencia para que el número de cuerdas necesarias no es demasiado elevado. Estos cables de alta resistencia exigen una mayor dureza de la polea de tracción para minimizar el desgaste de estos y de los cables. Otras soluciones pueden ser cables recubiertos de plástico, que, por supuesto, apenas causan o ningún desgaste en las poleas de tracción, pero sí causan otros problemas, como por ejemplo en la determinación correcta de los criterios de descarte.

Sin desear describir las relaciones individuales entre los parámetros con demasiado detalle, se puede determinar que se debe encontrar una mezcla equilibrada entre las condiciones límite que no aumente excesivamente el desgaste de los medios de suspensión dondequiera que existan sistemas de ascensores que ahorren espacio sin salas de máquinas. requerido.

Formas de reducir el desgaste de los medios de suspensión

Todas las condiciones de diseño mencionadas anteriormente para ascensores sin salas de máquinas provocan un mayor desgaste del cable sin posibilidad de compensar la causa de este desgaste:

• Cada desviación de los cables de suspensión aumenta su desgaste.
• El contradoblado aumenta en gran medida el desgaste de las cuerdas.
• Si la relación de diámetro D/d se reduce linealmente, el desgaste del cable aumenta exponencialmente.
• Si el factor de seguridad del cable disminuye linealmente, el desgaste del cable también aumenta exponencialmente.

Para compensar los factores perjudiciales para la vida útil del cable y, sin embargo, seguir manteniendo un alto rendimiento de funcionamiento, todas las condiciones ambientales restantes para los medios de suspensión deben adaptarse de manera óptima en funcionamiento. De esta manera, el número de ciclos de plegado se puede aumentar una vez más.

Mantenimiento de cuerdas

Casi todos los fabricantes de cables ofrecen un agente de cuidado adecuado para sus cables de acero que reduce la corrosión y la abrasión. Las cuerdas están prelubricadas, pero el polvo y la abrasión pueden unir el lubricante de modo que el efecto lubricante se reduce continuamente.

El mantenimiento del cable debe realizarse de acuerdo con las recomendaciones del fabricante para evitar restricciones innecesarias de vida útil del cable también en este punto.

Instalación de nuevas suspensiones

En parte, los fabricantes de cables emiten instrucciones detalladas sobre cómo instalar cables nuevos y lo que siempre debe observarse en aras de una larga vida útil del cable. Además de comentarios bastante obvios, como que las cuerdas no deben doblarse cuando se colocan, algunos fabricantes también han aplicado una marca en las cuerdas: la llamada línea de ojos o línea de superficie. Esta línea, aplicada en la dirección de suspensión, facilita asegurar que las cuerdas no se tuerzan cuando se colocan durante la instalación, un error que puede ocurrir muy fácilmente cuando las cuerdas comienzan a torcerse por sí mismas. Si, a pesar de esto, las cuerdas se tendieran retorcidas y luego se fijaran en el contrapeso y la cabina o en la cabeza del eje de tal manera que ya no pudieran desenroscarse, esto tendría graves efectos negativos en la vida útil, como adicional y se produciría un desgaste innecesario dentro de la cuerda durante cada movimiento del ascensor.

Distribución de carga entre los medios de suspensión

La torsión de los cables mencionada anteriormente también conduce a diferencias de capacidad de carga en los cables durante el movimiento del ascensor, pero esto es solo una pequeña parte del problema. Mucho más serio, por supuesto, es el ajuste real de las cuerdas entre sí.

La distribución de la carga dentro del juego de cables es un factor decisivo en la vida útil de los cables. Una ecuación se establece en el trabajo estándar sobre cables en la construcción de ascensores por el Dr. Klaus Feyrer. [1] Al usar esta ecuación, se puede determinar la capacidad de flexión de los cables de acero, dependiendo de la tensión del cable. Si todos los parámetros de esta ecuación (condiciones ambientales, parámetros mecánicos del cable, etc.) se mantienen iguales, y solo se considera la diferencia en la tensión del cable, se revelan efectos asombrosos de la distribución de la carga sobre la vida útil del cable. Esto también ha sido publicado por Pfeifer Drako en un documento técnico del 23 de noviembre de 2009, basado en la fórmula planteada por Feyrer:

• Una reducción del 5% en la diferencia de carga entre los cables de suspensión aumenta la vida útil en un 11%.
• Una reducción del 10% en la diferencia de carga entre los cables de suspensión aumenta la vida útil en un 23%.
• Una reducción del 15% en la diferencia de carga entre los cables de suspensión aumenta la vida útil en un 38%.

Los dispositivos de medición de la tensión de las cuerdas están disponibles en el mercado desde hace algunos años. Además del peso absoluto de la cabina, el uso de estos dispositivos puede determinar las cargas individuales de los cables para el ajuste. Esto es, por supuesto, muy útil, pero aún insuficiente, como se explicará.

Distribución variable de la carga durante el viaje

Naturalmente, solo es posible ajustar los cables manualmente cuando el sistema de ascensor está parado. Esto significa que debe decidirse la posición de la cabina en el hueco y las cuerdas deben ajustarse en esta posición. Esto generalmente significa que, en el caso de un sistema suspendido 2: 1 sin cuarto de máquinas, la cabina se coloca en el tope más alto de modo que se pueda alcanzar las sujeciones de los extremos de las cuerdas para fines de ajuste.

Dependiendo del diseño de los dispositivos de medición de la tensión de los cables, puede ser posible medir las progresiones de las tensiones de los cables individuales por adelantado, durante el movimiento del elevador, para determinar el ajuste óptimo de los cables para el ajuste posterior. Esto es necesario, ya que las tensiones individuales de los cables cambian constantemente durante el movimiento del ascensor, con frecuencia de manera sustancial. Varios factores pueden causar esto: ligeras desviaciones entre las ranuras y los cables, el rodaje de las ranuras de las poleas de tracción fuera de redondez, los rodillos de desviación que no están absolutamente horizontales entre sí, etc.

En el caso de un sistema suspendido 2: 1 con una polea de tracción de 240 mm de diámetro y una altura de recorrido de 20 m, una diferencia de 1/10 mm en la ranura o el diámetro del cable puede ser responsable de un diámetro del cable de 17 mm. diferencia entre las cuerdas individuales durante el movimiento a lo largo de toda la altura del recorrido. Por tanto, es fácil imaginar cuánta más carga puede soportar una cuerda 17 mm más corta que las demás. El resultado es un desgaste excesivo de la cuerda. Este efecto puede ocurrir debido a las causas mencionadas anteriormente incluso en los ascensores suspendidos 2: 1 nuevos. Sin embargo, esto no significa que se encuentren en la misma medida en sistemas suspendidos 1: 1.

El siguiente ejemplo (Figura 1) muestra una medición en un sistema suspendido 1: 1 que tiene una diferencia de tensión del cable de hasta 200% durante el movimiento del ascensor. También es evidente cómo se desplazan las tensiones individuales de los cables durante el movimiento del ascensor.

El ajuste correcto de la tensión del cable es esencial para un sistema de ascensor de este tipo si se quiere aprovechar al máximo la vida útil teórica de los cables. El ajuste puntual de los cables durante cada procedimiento de mantenimiento es un paso inicial e importante, pero ciertamente no es suficiente, ya que el ajuste solo puede tener lugar en ciertos puntos referidos tanto al tiempo como a la posición. Tan pronto como el elevador comience a moverse después de tal ajuste del cable, el ajuste del cable volverá a resultar insuficiente para la nueva posición en el pozo.

Sistema hidráulico Ecualización de tensión

Para mantener el desgaste de los cables lo más bajo posible debido a las diferentes tensiones en los cables individuales, los cables individuales deben volver a tensarse de manera constante durante el movimiento del elevador. Hay muchas opciones de solución diferentes disponibles para este propósito. Una de las opciones más simples se registró en los EE. UU. Para la aprobación de la patente en marzo de 1872.

Con este método, los cilindros hidráulicos se incorporan en la terminación del cable y garantizan que los cables se alineen entre sí tan pronto como las tensiones de los cables comiencen a desviarse. Esta solución hidráulica tiene la marcada ventaja de que no requiere energía eléctrica adicional, sensores o circuitos de control, y también es relativamente simple en cuanto a su construcción mecánica, producción e instalación.

Principio físico

La patente utiliza la física de la incompresibilidad y la propagación de presión uniforme en líquidos, un principio utilizado varias veces en hidráulica. Por lo general, la aplicación técnica incluye el llamado convertidor de potencia, que amplifica las fuerzas.

Por un lado, se ejerce una fuerza (relativamente) débil sobre un pistón con un diámetro lo más pequeño posible. En el otro lado del sistema hidráulico hay un segundo pistón con un área de sección transversal (relativamente) grande. Debido a que la presión del pistón dentro del líquido es la misma en todos los puntos, se ejerce una fuerza sobre el pistón grande cuando se presiona el pistón pequeño, que se amplifica por la relación de las áreas del pistón:

dónde p es la presión, F₁ es la fuerza en el pistón pequeño, A₁ es el área del pistón pequeño, F₂ es la fuerza en el pistón grande, y A₂ es el área del pistón grande.

Por supuesto, la conservación de energía continúa aplicándose sin cambios: levantar el pistón grande una distancia s₂, es necesario mover el pistón pequeño una distancia apropiada más larga s₁. Lo siguiente se aplica con la ecuación mencionada anteriormente:

dónde s₁ es la distancia de movimiento en el pistón pequeño y s₂ es la distancia de movimiento en el pistón grande.

Este principio también se aplica a cualquier número de cilindros hidráulicos interconectados. Si todos estos cilindros fueran idénticos y, por lo tanto, tuvieran la misma área (A₁ = A₂), inmediatamente se deduce de las fórmulas mencionadas que la fuerza F₁ es siempre idéntica a la fuerza F₂, o la distancia s₁ es siempre idéntica a la distancia s₂.

La patente citada utiliza exactamente este hecho: todos los cables siempre se alinearán entre sí si sus conexiones finales terminan en cilindros hidráulicos que están todos interconectados y tienen la misma área. La alineación se produce, teóricamente, a cero. En realidad, por supuesto, siempre hay fricción dentro de los cilindros, lo que solo permite la alineación hasta cierto punto. (En el caso de una construcción inteligente y una selección de sellos, la alineación a 40 N por cilindro es ciertamente posible).

Metodología Implementación para ascensores

Para aplicar los principios para nuevos sistemas, así como para modernizaciones en ascensores de una manera simple y económica, se deben observar las siguientes condiciones de contorno durante la implementación de los principios:

• Tamaño mínimo de construcción: no se debe alterar la placa de cable y, de la misma manera, no se debe perder espacio de construcción (particularmente para ascensores sin sala de máquinas).
• Conexión en cascada: simplemente reequipa los ascensores con cualquier número de cables, sin necesidad de ponerlos en marcha.
• Seguridad: las sujeciones de los extremos de la cuerda no deben modificarse.
• Longevidad: deben lograrse varios millones de carreras de cilindros o movimientos del elevador.

Teniendo en cuenta las condiciones establecidas, se desarrolló e implementó el siguiente diseño: como se puede ver en la representación isométrica, los cilindros individuales se pueden montar en la placa de cable existente si, como en este diseño, sus diámetros exteriores no chocan con el distancias de cuerda. Por este motivo, los diámetros se seleccionaron de forma que estén en consonancia con los topes o resortes espirales habitualmente utilizados.

Compensación de tracción diagonal

Para minimizar la construcción del cilindro hidráulico, después de todo, este es el requisito previo para un montaje simple sin medidas de conversión en el sistema, se requiere un componente adicional: la llamada placa oscilante.

En particular, con respecto a los sistemas de ascensores suspendidos 2: 1 diseñados sin salas de máquinas, generalmente se produce un tirón diagonal masivo de hasta un ángulo de 7 ° en cuerdas delgadas en el tope superior.

Este tirón diagonal se repite, por supuesto, en la varilla roscada de los medios de suspensión, pero nunca debe afectar al cilindro hidráulico. Si el cilindro hidráulico se colocara así en diagonal sobre la placa del cable, el flujo de fuerza en los cilindros generaría fuerzas transversales en los cilindros.

Para absorber tales fuerzas transversales con bajo desgaste, los cilindros tendrían que estar extremadamente sobredimensionados para el propósito de la aplicación. Esto haría imposible su instalación en la placa de cable existente.

Las placas de oscilación incorporadas entre el cilindro y la placa de cable garantizan que el cilindro permanezca siempre alineado en paralelo a los conectores finales de los medios de suspensión y que no se generen fuerzas transversales.

Efectos on Individual Suspensión-Significa tensiones

Los efectos de la alineación hidráulica del cable son sustanciales y pueden, por ejemplo, visualizarse utilizando el dispositivo de medición de la tensión del cable mencionado anteriormente. En la Figura 4, la progresión de la tensión de los cables individuales en caso de alineación de cable desactivada se presenta en el diagrama de la izquierda. Es claro ver cómo las cuerdas individuales "se separan" o incluso absorben y transfieren cargas en direcciones opuestas entre sí. Esto hace que los cables individuales soporten mucha más carga que otros y, por lo tanto, reduce la vida útil de ellos (y, por lo tanto, de todo el juego de cables) y puede dañar la polea de tracción y los rodillos de desviación.

El diagrama de la derecha muestra las tensiones individuales de los cables en caso de alineación hidráulica activa del cable: la carga total se distribuye de manera óptima entre los cables individuales. Las progresiones de carga en las cuerdas individuales corren paralelas; ninguna de las cuerdas soporta una carga desproporcionadamente mayor o menor que las demás. Todavía hay pequeñas diferencias entre las cuerdas, que se deben al hecho de que el principio físico no se puede transferir idealmente al mundo real y, por lo tanto, existe fricción interna en los cilindros.

Resumen

El factor decisivo que contribuye a la vida útil de los cables de suspensión, después de su correcto dimensionado y después de descartar errores evitables en la instalación y el mantenimiento del cable, es, sobre todo, la tensión óptima del cable en todas las posiciones dentro del eje. La tendencia hacia las suspensiones múltiples también está teniendo un efecto en los sistemas de ascensores comparativamente pequeños. Anteriormente, solo se veían en ascensores de gran altura con una altura de recorrido de varios cientos de metros: pequeñas desviaciones en las ranuras de las poleas de tracción y los diámetros de los cables dan lugar a grandes diferencias en las tensiones individuales de los cables, ya que las pequeñas poleas de tracción de los elevadores sin máquina Las habitaciones realizan una cantidad de rotaciones similar a la de las poleas de tracción en los elevadores de gran altura.

Incluso si las tensiones individuales del cable se ajustan periódicamente utilizando tecnología de medición de alta precisión, no se puede evitar el desgaste del cable, ya que dicho ajuste solo se puede realizar para una posición de la cabina dentro del eje.

Sin embargo, se debe aplicar una solución que minimice sustancialmente el desgaste del cable en toda la altura del recorrido y que tenga efecto en todas las posiciones de la cabina dentro del eje.

La solución presentada en este artículo en forma de alineación hidráulica del cable reducirá sustancialmente el desgaste del cable en cualquier sistema de ascensor, incluso si está instalado en un sistema ya dañado, y tiene la marcada ventaja de no requerir electricidad adicional, sensores. o circuitos de control, y se puede instalar muy fácilmente sin que se requieran medidas de conversión.

Referencias
[1] Feyrer, Prof. Dr. K. Drahtseile: Bemessung, Betrieb, Sicherheit. 2ª Ed. Springer Verlag, Berlín Heidelberg, Nueva York (2000).
[2] Pfeifer Drako, Scheunemann, Dr. W. U091123_Seilspannung, Mühlheim ad Ruhr (2009).