Cuerdas delgadas para elevadores sobre poleas pequeñas

Este artículo evalúa la correlación entre la relación entre el diámetro de la polea y el diámetro nominal del cable y la vida útil del cable.

En los últimos años, un movimiento ha ganado terreno en la industria de los ascensores hacia la introducción de diseños más compactos y más pequeños. Los esfuerzos para reducir el consumo de energía y los costos han reducido el tamaño de los componentes individuales. Históricamente, la polea de tracción junto con el sistema de transmisión se encontraban entre los conjuntos de componentes más importantes de cualquier instalación de ascensor y formaban la base para el diseño de toda la sala de máquinas. Con la llegada del ascensor sin cuarto de máquinas, estas construcciones se han vuelto superfluidas. Reducir el tamaño de la polea de tracción significa inevitablemente también reducir el diámetro de los medios de suspensión, que son predominantemente cables de acero. Sin embargo, existen varias normas, por ejemplo, la EN 81-1 [1], que limitan el grado en que se puede reducir el diámetro del cable.

A pesar de ello, en los últimos años se han introducido en el mercado una serie de cables que superan estos límites. Por razones de coste, estos cables delgados están "abriendo el apetito" de un número cada vez mayor de fabricantes de ascensores, posiblemente con una conciencia insuficiente de los efectos perjudiciales de un diámetro más pequeño en la vida útil de los cables. El siguiente artículo evalúa la correlación entre la relación entre el diámetro de la polea y el diámetro nominal del cable D / dy la vida útil del cable.

Factores de influencia

¿Cómo pueden las cuerdas moverse sobre las poleas? O en otras palabras, ¿cómo se doblan repetidamente las cuerdas sobre un radio durante un largo período de tiempo? Las cuerdas consisten en una multitud de cables individuales que se mueven uno contra el otro. El movimiento de los cables permite que la cuerda en su conjunto se doble. Simultáneamente, sin embargo, este desplazamiento provoca movimientos relativos que conducen a la abrasión. Los alambres de un cable cuando pasan sobre una polea están sujetos no solo a tensiones individuales sino también a una variedad de tensiones diferentes, como flexión, presión y tensión. La cantidad y el tipo de tensión dependen de muchos factores que influyen, principalmente como resultado de la construcción de cables y la instalación del ascensor.

Ejemplos de variables de influencia específicas de la cuerda incluyen:

• Construcción de cuerdas
• Fuerza del alambre
• Núcleo, lubricación y diámetro de la cuerda

Entre los ejemplos de variables de influencia específicas de la instalación se incluyen:

• Relación entre el diámetro de la polea y el diámetro nominal del cable
• Carga de cuerda
• Material de la ranura de la polea
• Perfil de la ranura de la polea
• Ángulo de deflexión
• Longitud de flexión

En casos individuales, otros factores, como la temperatura ambiente y la humedad, también pueden influir al aumentar la tensión y, por lo tanto, afectar la vida útil del cable. La variedad de posibles factores de influencia hace que sea imposible calcular con exactitud la vida útil del cable. No obstante, se pueden hacer predicciones razonables para la edad aproximada de descarte de una cuerda basándose en pruebas de flexión por fatiga.

Cálculo de la vida útil

El Instituto de Tecnología y Logística de Manipulación de Materiales de la Universidad de Stuttgart ha realizado una multitud de pruebas de flexión por fatiga y análisis estadísticos. Estas pruebas formaron la base para el cálculo de la vida útil del cable ideado por Feyrer, que considera los factores antes mencionados. En la ecuación se incorpora la relación entre el diámetro de la polea y el diámetro nominal del cable D / dy también el perfil de la ranura.

Influencia del perfil del surco

El perfil de la ranura, que somete la cuerda al menor grado de tensión, es la ranura redonda. Si bien la presión de contacto sobre la cuerda es baja, esto también da como resultado una baja tracción. En consecuencia, se debe especificar un diámetro de polea mayor, ya que su superficie de contacto mayor / más larga aumentará la tracción. Esto implica una alta relación D / d.

Sin embargo, si se quieren lograr los beneficios de costos mencionados anteriormente, el objetivo debe ser trabajar hacia el efecto exactamente opuesto, es decir, una pequeña relación D / d. En consecuencia, se utiliza una polea pequeña con un perfil de ranura adecuado. A diferencia de las ranuras redondas, los perfiles de ranura, como una ranura redondeada o una ranura en V, ejercen una presión de contacto sustancialmente mayor, lo que aumenta la tracción. A continuación, se puede reducir el ángulo de enrollado del cable alrededor de la polea.

En las ranuras perfiladas, la cuerda se sujeta y no queda completamente plana en la ranura y, en consecuencia, se reduce la superficie de contacto. Los niveles de presión más altos se ejercen sobre la superficie de contacto restante, lo que resulta en una mayor tendencia a la abrasión en estas áreas. Las roturas de cables aparecen antes y en mayor número. Cuanto más se reduce el diámetro de la polea en relación con el diámetro del cable, menor es el área de contacto entre el cable y más "agresivo" debe ser el perfil de la ranura para lograr la tracción necesaria. Esto, a su vez, conduce inevitablemente a una reducción de la vida útil del cable. La influencia de los distintos perfiles de ranura en la vida útil del cable se refleja en el factor de influencia fN3 (Figura 1). Este factor forma parte del cálculo de Feyrer del número corregido de ciclos de plegado NKorr. [2]

N_recoger = norte f_N1 f_N2 f_N3 f_N4

Nota: Número corregido de ciclos de plegado NKorr según^{[ 2 ]} el número de ciclos de flexión N y los factores del ciclo de flexión f_N1-F_N4

Daño de la cuerda debido a una pequeña relación D / d

Las pruebas han demostrado que con una relación D / d baja y un nivel alto de tensión del cable, el lapso de tiempo entre la primera aparición de roturas del cable y la edad de descarte será relativamente corto.

Con frecuencia, un trozo de una hebra exterior o piezas de núcleo de acero se romperán, o los alambres individuales dentro de la hebra saldrán de su ensamblaje. Debido a la alta presión de la superficie junto con la alta tensión de flexión, la superficie de los alambres se destruirá. Se producirá un "efecto de fricción" (deslizamiento por fricción), ya que bajo estos niveles de tensión, una cantidad normalmente suficiente de lubricación del cable ya no es eficaz. [3]

Determinación de la vida útil según EN 81-1

En el Anexo N de la EN 81-1, [1] se publicó un método para determinar el factor de seguridad de los cables de suspensión que tiene en cuenta el cálculo de la vida útil de Feyrer. Sobre la base de esta norma, Schiffner [4] desarrolló un método "para garantizar una vida útil mínima de los cables con la inclusión de prácticamente todos los parámetros de instalación que influyen en la vida útil del cable". Esta vida útil mínima debe ser de 600,000 ciclos de plegado según un cálculo de 100,000 viajes de ida y vuelta por año aplicados durante tres años.

Con base en el Anexo N de la EN 81-1, [1] es posible mediante una fórmula o diagrama determinar un factor de seguridad para cuerdas de suspensión. Como es evidente en el diagrama de la Figura 2, el factor de seguridad mínimo aumenta con una relación de diámetro decreciente D / dy un Nequiv igual (número equivalente de poleas de deflexión).

Fundamental para el pensamiento de la EN 81-1 son los criterios para el reconocimiento confiable de la edad de desecho de una cuerda entre los intervalos de inspección. El factor de seguridad identificado da como resultado un sistema de transmisión por cable con una vida útil limitada.

Ahorro en costos

Algunos fabricantes de ascensores pueden considerar los requisitos de la EN 81-1 como una restricción al desarrollo de conceptos de tracción que ahorren costes. Se argumenta que no todas las aplicaciones requieren que se alcancen los 600,000 ciclos especificados y que, en consecuencia, el factor de seguridad y la relación D / d podrían ser menores. Para el fabricante de ascensores, otra posibilidad de reducir los costes es reducir el número de cables en una instalación de ascensor. En este caso, tendrían que emplearse cables con una mayor resistencia a la rotura. El autor ya ha identificado varias alternativas para lograr una mayor resistencia a la rotura en las cuerdas en otras publicaciones.^{[ 5,6,7 ]}. Se puede lograr un aumento de la resistencia a la rotura, por ejemplo, utilizando alambre con una mayor resistencia a la tracción. Sin embargo, este objetivo también está restringido por los requisitos de la DIN EN 12385 [8], que especifica una resistencia máxima a la tracción del cable de 1770 N / mm2.

Mas allá de los límites

Si se exceden los límites definidos de EN 81-1 o DIN EN 12385-5, se requiere un certificado de examen de tipo que debe ser emitido por una organización de prueba independiente, un llamado organismo notificado. Cualquier certificado de examen de conformidad de este tipo debe confirmar, sobre la base de pruebas exhaustivas, que los medios de suspensión se pueden utilizar de forma segura a pesar de desviarse de las reglamentaciones.

Hay dos enfoques principales para probar o confirmar el uso seguro de la cuerda. O se puede demostrar mediante pruebas que el cable alcanzará 600,000 ciclos a pesar de la relación de diámetro reducida y que la edad de descarte se reconocerá de manera confiable, o, alternativamente, se estipula un número menor de ciclos operativos con la relación de diámetro reducida y factor de seguridad sobre la base de pruebas y análisis estadísticos. Ya existen certificados de examen de tipo para ambas posibilidades.

Con el segundo enfoque, se presta la debida atención al aspecto de seguridad prescribiendo un número reducido de ciclos de disparo para el cable si se aplica un factor de seguridad más bajo que el prescrito por EN 81-1. Para garantizar el cumplimiento de este recuento de viajes, el constructor del ascensor debe tomar medidas adicionales para garantizar el funcionamiento seguro de la instalación. El certificado de examen de tipo estipula la instalación de un contador de viajes que apaga la instalación después de alcanzar el número permitido de viajes. Con este enfoque, es factible una relación D / d de 25 (la EN 81-1 prescribe una relación D / d mínima de 40).

Puede ser cuestionable si este tipo de reducción del diámetro de la polea motriz es sensato o no. A partir de experiencias pasadas y una variedad de pruebas de resistencia a la fatiga, se ha establecido que la reducción de la relación D / d reducirá la vida útil del cable. Según Vogel^{[ 9 ]}“Reducir de D/d = 40 a D/d = 33... ya limita la vida útil de las cuerdas en un factor de 2.5”. Vogel continúa explicando que “para una cuerda de relleno de 8 x 19 con núcleo de fibra y un diámetro nominal d = 12 mm... el número de ciclos de flexión con una seguridad de cuerda de n = 12 aumenta en un factor de alrededor de 8 si la relación de diámetros aumenta de D/d = 25 a 40”.

Aunque ciertamente debe hacerse una distinción en la forma en que se evalúan en detalle las diferentes construcciones de cable, la conclusión subyacente que se puede extraer de los hallazgos de Vogel es que una reducción creciente en la relación de diámetro D / d claramente equivale a una vida útil cada vez más reducida. Esto significa que la reducción de la relación D / d de 33 a 25 reduce la vida útil en dos veces más que una reducción de la relación D / d de 40 a 33. En consecuencia, el factor de seguridad requerido según EN 81-1 aumenta sustancialmente . Si el objetivo es minimizar el factor de seguridad, esto implicará inevitablemente incurrir en los costes adicionales que implica el montaje de un contador de viajes en la instalación del ascensor.

Antes de tomar la decisión de usar una polea de tracción muy pequeña y supuestamente rentable, se deben considerar los siguientes aspectos: Disminuir el tamaño de la polea equivale a disminuir el torque. Al mismo tiempo, la polea de tracción realiza más revoluciones a la misma velocidad del elevador, provocando un aumento de la temperatura de la polea. Con cada viaje, el cable pasa sobre la misma área de la ranura con más frecuencia que cuando se usa una polea grande, lo que significa una mayor abrasión. Debido a que los sistemas de transmisión para poleas de tracción con un diámetro de 150 y 200 mm a menudo tienen el mismo tamaño total, no se obtienen ahorros en términos de espacio de instalación.

Para sus cables PAWO 6.5 W + IWRC de 819 mm y PAWO F6.0 de 3 mm, Gustav Wolf tiene certificados de examen de tipo que certifican su uso en diámetros de polea ≥ 200 mm sin medidas de instalación costosas adicionales. Para obtener estos certificados de examen de tipo, se llevaron a cabo pruebas exhaustivas del ciclo de vida de la flexión para el peor de los casos. Los cables se probaron en la ranura redonda rebajada con un ángulo de rebaje de 98 ° y en la ranura en V con una ranura en V de 40 °. Los ensayos de flexión por fatiga se realizaron con un factor de seguridad de 12. En ambos casos, se identificó claramente la edad de descarte de los cables, por lo que el número de viajes superó el umbral de 600,000. La edad de descarte se determinó en función del número de roturas de alambre admisibles según DIN 15020 [10] o después de una reducción del diámetro del cable de más del 6% según ISO 4344 [11]. Se sabe que aumenta el recuento de viajes en ranuras más “amigables con la cuerda”.

Esto también es evidente a partir del factor de ciclo de flexión fN3, según Feyrer (Figura 1). En consecuencia, los cables también se pueden utilizar en ranuras con un ángulo de entalladura ≤ 98 ° y en ranuras con una ranura en V con ≥ 40 °. Las cuerdas que discurren en ranuras redondas en una polea de 200 mm de diámetro lograron recuentos de viajes muy superiores a los que discurren en ranuras perfiladas. Incluso con diámetros de polea de menos de 200 mm con ranuras redondas, se pueden lograr más de 600,000 ciclos de plegado antes de alcanzar la edad de descarte.

Resumen

En la planificación de la instalación de un ascensor, todos los factores que influyen en el costo deben considerarse cuidadosamente entre sí. La tendencia hacia instalaciones compactas reduce los costos de adquisición. Al mismo tiempo, la adopción de poleas de tracción más pequeñas reduce la vida útil de los cables de acero y las poleas de tracción. Esta interacción mutua entre el cable y la polea debe tenerse en cuenta en el proceso de planificación. De lo contrario, las instalaciones de ascensores se volverán más caras debido a la necesidad de modificaciones posteriores.

Si una instalación de ascensor que utiliza cables delgados no cumple con los valores límite de la norma EN 81-1, esto debe compensarse con el cumplimiento de los requisitos de los certificados de examen de tipo. Por consiguiente, la respuesta a la pregunta sobre la aplicabilidad de los cables delgados en las instalaciones de ascensores debería ser: Sí, pero... las deliberaciones deben centrarse no solo en el ahorro y la minimización de costes, sino también en el funcionamiento seguro de la instalación del ascensor.

Referencias
[1] DIN EN 81-1: 1998 + A3: 2009 (D)
[2] Feyrer, K. Drahtseile - Bemessung, Betrieb, Sicherheit Springer, Auflage, 2000, S. 265-268
[3] Singenstroth, S. Drahtseile leben begrenzt Sonderdruck aus Drahtwelt, Vogel-Verlag, 9/1981
[4] Schiffner, G. EN 81-1 Anhang N: Die Ermittlung des Sicherheitsfak-tors von Tragseilen Lift-Report, Heft 2/2000, S. 52
[5] Wolf, E., Franz, A. Seilentwicklung für Aufzugsanlagen Lift-Report, Heft 5/2005, págs. 28-32
[6] Wolf, E., Franz, A. Desarrollo de cables para ascensores ELEVATOR WORLD, marzo de 2006, págs. 122-126
[7] Wolf, E., Franz, A. Weiterentwicklung erprobter Tragmittel im Aufzugsbau Lift-Report, Heft 2/2009, págs. 26-32
[8] DIN EN 12 385-5: 2002 / AC: 2005 (D)
[9] Vogel, W. Quo Vadis Seillebensdauer, Informe de elevación, Heft 5/2007,
S 54-59
[10] DIN 15 020 Blatt 2: 1974
[11] ISO 4344: 2004