Tracción para el personal de campo, primera parte

La pérdida involuntaria de tracción, como resultado del deterioro de los componentes, por ejemplo, es muy peligrosa y puede permitir que un elevador se mueva sin control. Cuatro factores determinan y controlan la tracción:

1. La relación de tracción del automóvil y el contrapeso.
2. El área de contacto de los cables de elevación en la polea motriz
3. El coeficiente de fricción / factor de fricción entre los cables de elevación y la polea motriz
4. Aceleración / desaceleración

Este artículo proporciona información sobre los requisitos de tracción para evitar que se produzca una pérdida de tracción debido a un desgaste inadvertido y un mantenimiento, inspección y pruebas inadecuados. ¿Cómo no se deslizan los miembros de la suspensión sobre una polea de tracción? ¿Qué fuerza de tracción evita que las cuerdas se deslicen sobre la polea desde la carga del vagón vacío hasta un vagón completamente cargado? Mantener la tracción cae bajo el mantenimiento del ascensor.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Este artículo de educación continua proporcionará la educación necesaria para que el personal de ascensores que trabaja en ascensores eléctricos comprenda la importancia de la condición de los componentes, los requisitos del código, la medición y las pruebas de tracción para garantizar el más alto nivel de seguridad. En este artículo, el lector aprenderá:
♦ El código requiere el mantenimiento de los miembros de la suspensión.
♦ El mantenimiento debe incluir la medición de la cuerda y las poleas con la frecuencia adecuada para garantizar el cumplimiento.
♦ Los tipos de fricción y cómo se aplican a los ascensores.
♦ Qué ranuras de polea se utilizan en la industria de los ascensores
♦ Cómo un cabrestante puede ayudar a visualizar la fuerza de tracción

Este curso se divide en dos partes: la primera parte tratará los principios de tracción a un nivel que un mecánico debe comprender; La segunda parte serán los componentes utilizados en los sistemas de ascensores que proporcionan una tracción segura. Se aplicarán los principios de tracción y se explicarán los indicadores de problemas de tracción, cómo probar la tracción y los requisitos del código para garantizar que no se produzca degradación de la tracción.

Todos los componentes principales de ascensores, escaleras mecánicas, pasillos rodantes y montaplatos tienen requisitos de diseño en el código. El código en EE. UU. Y Canadá es ASME A17.1 / CSA B44. Los técnicos y mecánicos de campo no tienen experiencia en diseño y no son responsables del diseño, pero conocer los conceptos básicos del diseño puede ayudar a comprender lo que está sucediendo.

Requerimientos de diseño

Los requisitos del código A17.1 / B44 exigen que se proporcione, mantenga, pruebe y repare la tracción si los componentes muestran signos de incumplimiento. Para comprender las aplicaciones de tracción en un sistema de ascensor, es útil relacionarlo primero con algo que experimentamos e identificar los principios en juego.

En el caso más simple, cuando estacionas tu vehículo en una colina y pones el freno de emergencia, debe haber alguna fuerza que evite que se deslice cuesta abajo. El freno de emergencia no es la fuerza que proporciona la interfaz de fricción entre la carretera y el caucho, aunque la fricción evita la rotación de las ruedas con una interfaz entre la zapata y la superficie del freno. La fricción de la llanta de caucho montada en las ruedas también evita que la llanta patine sobre la rueda, pero la interfaz caucho / carretera es donde se requiere tracción para evitar que el vehículo se deslice cuesta abajo sobre la superficie de la carretera.

La fuerza inherente a la llanta de goma y la superficie de la carretera evita que el vehículo se resbale cuesta abajo. Si deja caer un bolígrafo de tinta en la misma colina empinada en la que estaciona su vehículo, hay una tracción inadecuada para detener y sostener el bolígrafo, pero el vehículo permanece estacionado como una piedra. ¿Por qué uno se detiene y no el otro? Fricción.

La fricción es un componente de la ciencia de la tribología. La fricción es la fuerza que resiste el movimiento relativo entre dos superficies sólidas, capas de fluido y elementos de material que se deslizan entre sí. Hay varios tipos de fricción:

• La fricción seca resiste el movimiento lateral relativo de dos superficies sólidas en contacto. La fricción seca se subdivide en fricción estática (“fricción”) entre superficies inmóviles y fricción cinética entre superficies en movimiento.
• La fricción de un fluido describe la fricción entre las capas de un fluido viscoso que se mueven entre sí.
• La fricción lubricada describe la fricción de un fluido donde un fluido lubricante separa dos superficies sólidas.
• La fricción de la piel es un componente del arrastre, la fuerza que resiste el movimiento de un fluido a través de la superficie de un cuerpo.
• La fricción interna es la fuerza que resiste el movimiento entre los elementos moleculares que forman un material sólido mientras se deforma.

Los ascensores utilizan los principios de fricción seca al considerar la relación de fricción entre los miembros de suspensión (cuerdas o correas) contra una polea de tracción accionada por un motor eléctrico. Las masas desequilibradas suspendidas en cada extremo de los miembros de la suspensión (el automóvil y el contrapeso) crean una fuerza normal variable (la fuerza de apoyo ejercida sobre un objeto en contacto con otro objeto estable) medida en Nm2 (Newtons por metro cuadrado), kPa (kilopascales) o psi (lb./in.2) sobre la polea de tracción. 1 psi = 6,895 Pa o 6.9 kPa.

Al igual que donde la goma se encuentra con la carretera en el ejemplo de un vehículo estacionado, este artículo tratará sobre dónde los miembros de la suspensión hacen contacto con la polea y la fuerza resultante que evita que el contrapeso más pesado arrastre el automóvil vacío hacia el techo o el automóvil completamente cargado desde arrastrar el contrapeso más ligero hacia el techo (tracción deslizante).

La fricción es un valor adimensional creado por propiedades físicas cuando dos superficies se tocan y se aplican fuerzas a las dos superficies en diferentes direcciones. Es una fuerza variable que cambia según los materiales, las cargas, la lubricación, etc. Debido a que hay múltiples elementos, juntos, tienen propiedades variables y un coeficiente de
fricción.^{[ 1 ]}

La fricción seca surge de una combinación de materiales, adherencia entre superficies, rugosidad de la superficie, deformación de la superficie y contaminación de la superficie. Las complejidades de estas interacciones hacen que el cálculo de la fricción no sea práctico y requiere el uso de pruebas empíricas (del mundo real) para el análisis y el desarrollo de la teoría. Leonardo da Vinci escribió las primeras reglas registradas de fricción deslizante después de tales pruebas empíricas. Guillaume Amontons documentó más pruebas que dieron como resultado la Primera Ley de Amontons: la fuerza de fricción es directamente proporcional a la carga aplicada.

No importa cuán lisa se sienta o parezca la superficie, siempre habrá cierta cantidad de irregularidades (puntos altos y bajos a nivel molecular) llamados asperezas. Como se muestra en la Figura 1, ambas superficies tienen áreas altas y bajas. Un ejemplo clásico a escala macroscópica es el papel de lija: cuanto mayor es el valor de grano, más pequeñas y cercanas son las asperezas. En el caso del papel de lija, las características de las asperezas dependen de los materiales utilizados para su fabricación.

La presencia de contaminantes y lubricantes afecta cómo se comportará la relación de fricción de las superficies. Piense en una llanta de goma en la carretera nuevamente: en una superficie de carretera seca, hay mayor fricción, pero si hay aceite, hay menor fricción, porque los vacíos en las asperezas se llenan y los aceites pueden crear bolas de líquido rodantes. , eliminando la naturaleza cerrada de las asperezas.

Continuando con la Figura 1, si solo se tocan los puntos altos de los dos materiales, lo que puede parecer que toda la superficie se toca, de hecho, no se toca sustancialmente. Cuando los materiales se presionan más juntos con una fuerza, hay más interacción de bloqueo de los materiales debido a los puntos altos de deformación o rotura del material, creando más entrelazado de asperezas. Las conexiones atornilladas utilizan esta propiedad; cuanto mayor sea el par de torsión del perno, mayor será la fricción seca que evita el deslizamiento de la conexión atornillada.

Como las asperezas son invisibles a simple vista, los científicos continuaron probando diferentes materiales y sus cualidades, y su experimentación adicional llevó a Amonton a su Segunda Ley de Fricción: la fuerza de fricción es independiente del área aparente de contacto. Hoy sabemos que el coeficiente de fricción y la fricción disponible a veces cambian. Sin embargo, hace siglos, las pruebas empíricas mostraron que la fricción podría variar con diferentes áreas de contacto, dependiendo de los materiales probados y las fuerzas variables que se aplican.

Dos tipos de fricción seca son estática y deslizante (cinética). Esto también confundió a los primeros científicos al comprender la relación de fricción. Dados los mismos materiales y fuerzas aplicadas, la fricción estática siempre fue mayor que la fricción por deslizamiento. Por ejemplo, si un automóvil está en reposo y luego acelera, el automóvil se moverá cuando el tren motriz haga girar los neumáticos, pero, si acelera el motor y hace girar los neumáticos, el automóvil no avanza tan rápido. La primera es la fricción estática y la segunda es la fricción por deslizamiento. Esto fue definido por Charles-Augustin de Coulomb, quien desarrolló la Ley de Fricción de Coulomb: la fricción cinética es independiente de la velocidad de deslizamiento.

Dentro de un área de contacto, la fricción seca también se conoce como "fricción de Coulomb". Coulomb desarrolló la siguiente fórmula para calcular la fuerza de fricción que se usa comúnmente en la actualidad.^{[ 3 ]}

F_f ≤ µF_n                 (Ecuación 1)

donde F_f = la fuerza de fricción paralela a las superficies en una dirección opuesta a la fuerza neta aplicada, µ = el coeficiente de fricción, una propiedad de los materiales en contacto, y F_n = la fuerza normal ejercida por cada superficie sobre la otra perpendicular a la superficie.

El desarrollo de un valor para el coeficiente de fricción se ilustra simplemente con el plano inclinado y su dibujo de cuerpo libre debajo (Figura 2). La superficie del plano inclinado es un material y la caja deslizante es otro. En este experimento, se contrapone el control de las fuerzas del movimiento.

El coeficiente de fricción es un valor empírico (observado o medido). Hoy en día, los libros de texto de materiales y propiedades mecánicas proporcionan tablas de coeficientes de fricción para materiales comunes. Para nuestro propósito en este curso, usaremos un acero de tracción típico para una polea de hierro fundido; ese valor es generalmente 0.08-0.1, con un valor usado en el diseño de 0.09.^{[4 6-]}

Un coeficiente de fricción de cero indicaría que no hay fricción. Teflón a teflón puede tener un coeficiente de fricción tan bajo como 0.004. La mayoría de las combinaciones de materiales secos tienen valores de coeficiente de fricción entre 0.3 y 0.6. Las superficies recubiertas de caucho de silicona o de caucho acrílico tienen un coeficiente de fricción que puede ser sustancialmente mayor que 1. El caucho, en contacto con otras superficies, puede tener coeficientes de fricción de 1 a 2. Cuando el valor es mayor que 1, implica que la fuerza requerida para mover (empujar o tirar) un objeto a lo largo de la superficie es mayor que la fuerza normal aplicada a la superficie deslizante del objeto. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la fricción.

Si se tira de un bloque de material de 10 kg (22 lb) sobre una superficie, y el coeficiente de fricción (µ) es 1, se necesita una fuerza de al menos 98 N (22 lbf) para mover el objeto. De la Ecuación 1, obtenemos:

F_f ≤ 1 * 98N (Ecuación 2)

F_f ≤98N

Si se tira de un bloque de material de 10 kg (22 lb) sobre una superficie, y el coeficiente de fricción (µ) es 0.5, se necesita una fuerza de al menos 49 N (11 lbf) para mover el objeto. Por lo tanto:

F_f ≤ 5 * 98N 

F_f ≤49N

Si se tira de un bloque de material de 10 kg (22 lb) sobre una superficie, y el coeficiente de fricción (µ) es .09, se necesita una fuerza de al menos 8.8 N (2 lbf) para mover el objeto. Usando la Ecuación 2:

                          
F_f  ≤ .09 * 98N

F_f  ≤ 8.8 N

Lo que esto indica es que el coeficiente de fricción de acero a hierro fundido en la tracción del ascensor aparece cerca del extremo resbaladizo del rango, alrededor de 0.09. Algo más debe estar pasando. Un factor son las masas involucradas: por ejemplo, si un sistema de ascensor tiene 50 kN (11, 240 lbf) de masa, la fuerza de fricción requerida para mover el objeto también aumenta. Usando la Ecuación 2:

F_f  ≤ .09 * 50,000N  
F_f  ≤ 4,500 N

Otros factores son el ángulo de enrollamiento o arco de contacto alrededor de la polea y el tipo de perfil de ranura.

La tracción disponible de una polea con un cable de acero redondo se calcula mediante la siguiente ecuación:

α = mi^faθ                    (Ecuación 3)

dónde α = tracción disponible de las ranuras de la polea motriz ante el deslizamiento inminente de la cuerda; mi = base de logaritmos naturales (2.71828); f_a = el coeficiente de fricción aparente, que representa el coeficiente de fricción real y la forma de la ranura; y θ = arco de contacto subtendido por cuerdas de suspensión y polea motriz (rad).

En términos simples, e es una constante fija; los exponentes son f_a, un valor; y θ es el ángulo de envoltura, una envoltura recta de 180 ° (3.141 rad) de envoltura, por ejemplo. Si hay un exponente menor, hay menos tracción disponible; si hay un exponente más alto, hay una mayor tracción disponible. Esta es la ecuación básica para una polea con ranura en U. Las demandas de tracción en los elevadores de alta velocidad requieren más tracción. Si todas las variables son fijas, ¿cómo podríamos aumentar? a?

En la década de 1920, Frederick Hymans (ELEVATOR WORLD, febrero y marzo de 2017)^{[ 3 ]} y AV Heilborn estudiaron la interfaz de tracción en ranuras de acero y cables de acero y escribieron el libro fundamental que todas las empresas de elevadores de tracción utilizan hoy en día para enseñar a los ingenieros cómo determinar la fuerza de tracción que no provocará resbalones en los diseños de ascensores. Der neuzeitliche Aufzug mit Treibscheibenantrieb (El ascensor moderno con tracción) se publicó en 1927.^{[ 7 ]} Sin dicha investigación, es probable que los edificios de gran altura no hubieran sido posibles, y el mundo estaría limitado a sistemas de poca altura y baja velocidad.

En términos de tracción disponible, el µ no cambia, pero el factor de fricción puede cambiar debido a que la presión del cable aumenta cuando se quita el material de la ranura en la ranura de la polea, como en una ranura en U socavada. Esto nos lleva a la ecuación final de tracción:

T²/T¹ = mi^faθ          (Ecuación 4)

dónde T₁ = la mayor tensión del cable de elevación (N o lbf), T₂ = la menor tensión del cable de elevación (N o lbf), e = base de logaritmos naturales (2.71828), f_a = coeficiente de fricción aparente (adimensional), y θ = ángulo de envoltura o arco de contacto (rad). Esta fórmula considera inherentemente la carga viva del ascensor; la mayor tensión del cable puede ocurrir en los cables de izado del lado de la cabina o del lado del contrapeso.

Tomando los elementos físicos, cuerdas y poleas, colocando cargas en cada extremo de diferentes pesos, probando y midiendo el coeficiente de fricción para definir los límites de variación de carga, comenzó en el siglo XIX. Dado el bajo coeficiente de fricción, es probable que haya algunas fallas, como cargas que se deslizan, aceleran hasta que los terminales se encuentran con la masa con un ruido resonante y la flexión de los componentes. Experimentadores y teóricos como Hymans comenzaron a definir esta relación de tracción hasta que ahora tenemos ascensores moviéndose a 1800 mps (18 fpm), de manera segura y sin fallas. (Para convertir de fpm a mps, multiplique mps por 3,600; por ejemplo: 200 mps = aproximadamente 1 fpm.)

Finalmente, la fuerza de tracción se describe completamente como un valor cuando se establece el perfil de la ranura. Con un µ que no cambia, el ángulo de envoltura se puede aumentar, pero solo hasta cierto punto. En un diseño, la cuerda se enrolla más de 270 ° y las cuerdas se entrelazan (Figura 3). Este novedoso diseño de tracción de envoltura larga de Otis (LWT) parece introducir un ligero ángulo de flota y la apariencia de una curva inversa, los cuales pueden tener efectos negativos en los cables de acero. Más exactamente, el ángulo de flotación es causado por la ubicación del grillete de cable más alejado en su ubicación del punto de enganche del automóvil con respecto a la ubicación correspondiente de la ranura del cable en la máquina. Habrá tracción hacia adelante y hacia los lados en el diseño LWT, y varía de una cuerda a otra. El estiramiento lateral provoca el desgaste de un lado de la ranura más que del otro y conduce a una reducción de la tracción disponible en las ranuras. La inclinación de los cables en la disposición LWT provoca un desgaste del lado de la ranura en las ranuras de la polea. Si bien no se puede eliminar, se puede controlar. Los principales fabricantes tienen límites internos sobre la cantidad de extracción frontal y / o lateral. 

El ángulo de flota (Figura 4) provoca un par de torsión en una cuerda, enrollando la cuerda más tensa en un lado y desenrollando la cuerda en el otro lado. Además, agrega abrasión a la polea y la cuerda, reduciendo sus vidas. Al construir un elevador eléctrico, se debe tener cuidado para asegurarse de que no exista un ángulo de flota significativo.

Cuando la tracción requerida excede la tracción disponible en una polea con ranura en U (por ejemplo, cuando no se puede aumentar el ángulo de enrollamiento), las ranuras se pueden modificar y las presiones específicas aumentadas proporcionan una mayor tracción disponible. La tracción adicional resultante tiene compensaciones que van más allá de este artículo; sin embargo, las ranuras típicas, sus fórmulas de tracción relacionadas y sus coeficientes aparentes de fricción relacionados se muestran en la Figura 5. Todos los mecánicos y técnicos deben tener alguna idea de este material para que al reordenar el cable, los conocimientos básicos garanticen que no se instale el cable incorrecto. , lo que reduce la vida útil de la cuerda y la polea.

La interacción de las cuerdas de suspensión y la polea es similar en función a la del neumático de goma en la superficie de la carretera; debe proporcionar suficiente tracción para evitar resbalones, pero no demasiada. (Hay otros sistemas de suspensión, pero esta serie de artículos se centrará en la tracción de un elevador eléctrico que utiliza cables de acero con breves menciones de otros tipos de diseños de miembros de suspensión en la segunda parte).

Cabrestante de cabrestante

Una herramienta común utilizada todos los días por el personal de ascensores en la construcción es el cabrestante (Figura 6) que ayudará a visualizar la fuerza de tracción. Esto lo convierte en un dispositivo ideal, ya que la experiencia práctica puede relacionarse con la teoría. Cuando se usa un cabrestante, el número de vueltas de la cuerda alrededor del cabrestante permitirá una fuerza de sujeción mucho menor para evitar que la carga se resbale.

La carga se expresa como T_carga, y la fuerza de sujeción se expresa como T_hold. Cuanto más vueltas de cuerda, cambia la relación entre estas fuerzas; el aumento de la fuerza de sujeción es un valor exponencial añadido a la T_hold vigor.

La fuerza de fricción de la cuerda cambia debido al coeficiente de fricción, la tensión en la cuerda y el ángulo total de contacto. La única variable que puede cambiar es θ, el ángulo de enrollamiento o el número de vueltas de cuerda en el cabrestante.

T_carga ≤ T_hold ^mi_θ                     (Ecuación 5)

donde T_carga = fuerza ejercida sobre la cuerda por la carga, T_hold = fuerza de sujeción ejercida sobre la cuerda por el técnico, e = base de logaritmos naturales (2.71828), µ = coeficiente de fricción estático entre el cable de suspensión y la ranura de la polea, y θ = arco de contacto subtendido por la cuerda (rad).

Conclusión

Los diseños de tracción se diseñan cuidadosamente, pero como se ha demostrado en este artículo, las complejidades mecánicas y las relaciones son fundamentales para mantener la fuerza de tracción y evitar la pérdida de tracción.

Cualquier elevador eléctrico con partículas metálicas debajo de una polea requiere atención: esas partículas se muelen fuera de la polea y está cambiando la relación de tracción. La segunda parte explica qué componentes requieren mantenimiento y pruebas.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 153 de este número.
♦ ¿Qué es la fricción y cuáles son sus diferentes tipos?
♦ ¿Qué nos permite hacer la ley de fricción de Coulomb para medir la fuerza de fricción?
♦ ¿Cómo se encuentra la tracción disponible de una polea con un cable redondo de alambre de acero?
♦ ¿Qué se considera el libro fundamental para determinar la fuerza de tracción que no provocará deslizamientos en los diseños de ascensores?
♦ ¿Qué es la fuerza normal?

Referencias
[1] Wikipedia. “Tribología” (en.wikipedia.org/wiki/Tribology).
[2]Wikipedia. “Guillaume Amontons” (en.wikipedia.org/wiki/Guillaume_Amontons).
[3] Gibson, George W. "Fred Hymans and the Theory of Rope Traction", EW, febrero y marzo de 2017.
[4] CEN EN 81-1: 2004. “M.2 Cálculo de tracción”, “M.2.2 Evaluación del factor de fricción”, “Cláusula M.2.2.2 Consideración del coeficiente de fricción”.
[5] Pfeifer Drako Drahtseilwerk GMBH & Co. KG. “Cables de acero en elevadores”, septiembre de 2015, pág. 32.
[6] Levantamiento de Brugg. "Cables de acero en ascensores", 0214, 2013, pág. 139.
[7] Hymans, F. y Hellborn, AV Der Neuzeitliche Aufzug mit Treibscheibenantrieb. Berlín, Springer Publishers, 1927.
[8] Dr. Stephen W. Attaway. “La Mecánica de la Fricción en el Rescate con Cuerda”, Simposio Internacional de Rescate Técnico (ITRS 99).