Progettazione e miglioramento dell'elevatore a nastro in acciaio rivestito

Una discussione tecnica

di Hongliang Liang

Parole chiave: Cinghia in acciaio rivestito (CSB), motore a magnete permanente (PM), sovratrazione, zona usurata, diametro della puleggia motrice

Astratto

La dimensione di un motore a magneti permanenti (PM) è determinata dalla coppia massima che genera; coppia = forza motrice x raggio. Per ridurre al minimo la coppia, riducendo così i costi di produzione, il raggio della puleggia motrice deve essere il più piccolo possibile. Tradizionalmente, il diametro della puleggia motrice si basa sullo standard per le funi d'acciaio, che richiede che sia almeno 40 volte il diametro della fune (d). Tuttavia, le cinghie di trazione, tipicamente composte da un corpo in poliuretano con trefoli di trazione in acciaio, sono originariamente utilizzate negli ascensori senza locale macchina (MRL). Sono chiamate cinghie in acciaio rivestito (CSB). Sebbene i fili d'acciaio all'interno delle CSB rimangano intatti, le loro guaine esterne non sono resistenti all'usura, causando guasti non correlati ai fili d'acciaio stessi. Di conseguenza, lo standard tradizionale per le funi d'acciaio non è adatto per determinare il diametro della puleggia motrice per gli ascensori CSB. Le CSB presentano un coefficiente di attrito ampio e instabile che aumenta nel tempo. Questo aumento dell'attrito può portare a una sovratrazione, anche quando si utilizza una puleggia motrice da 80 mm. Tuttavia, questo piccolo diametro delle pulegge causa una rapida usura delle cinghie, riducendone significativamente la durata, in genere a circa cinque anni per gli ascensori con un dislivello superiore a 30 m e una velocità superiore a 1.0 m/s. La contraddizione tra usura e sovratrazione richiede una revisione e un aggiornamento delle attuali normative e standard per le CSB. È necessario sviluppare tecnologie avanzate per affrontare queste sfide e dare priorità ai metodi di riparazione per le CSB.

1. Sfondo

Nel giugno 2024, il signor Zhang Lexiang, segretario generale della China Elevator and Escalator Association, ha condiviso un post su LinkedIn in cui esprimeva preoccupazione per le sfide affrontate dai sistemi di ascensori CSB. Ha fatto riferimento a un grave incidente di rimbalzo tra passeggeri avvenuto il 26 agosto 2023 a Changsha, chiedendosi se questo avrebbe segnato una svolta per i produttori di ascensori CSB.

Ha inoltre sottolineato che gli ascensori CSB sono stati promossi fin dal 2000 per l'efficienza energetica e il design compatto, riducendo i costi di produzione. Tuttavia, i modelli recenti con pulegge di trazione ridotte da 80 mm e inverter da 10 A presentano gravi problemi di affidabilità. I ​​rapporti indicano che la durata di vita dei CSB è spesso inferiore ai cinque anni, molto più breve di quanto pubblicizzato. I costi di sostituzione dei CSB sono 8-10 volte superiori rispetto alle tradizionali funi d'acciaio. Per affrontare queste preoccupazioni, l'Amministrazione Statale per la Regolamentazione del Mercato (SAMR) cinese ora richiede ai fornitori di ascensori di garantire una durata di vita dei CSB di 15 anni (o 3 milioni di cicli), imponendo sostituzioni gratuite in caso di guasti prematuri. Gli ascensori CSB non sono inoltre adatti per progetti ad alta velocità, dove forze di trazione eccessive possono causare decelerazioni pericolose, con il rischio di lesioni per i passeggeri durante le fermate di emergenza. Le sfide aumentano significativamente negli edifici con altezza superiore a 30 m o con velocità superiori a 1.6 m/s.

Nonostante questi problemi, Zhang ritiene che gli ascensori CSB possano essere migliorati attraverso una progettazione di sistemi robusti. Tuttavia, l'attuale enfasi del settore sulla riduzione dei costi minaccia la sicurezza e l'affidabilità a lungo termine, creando potenziali disastri per le aziende di ascensori e gli stakeholder.

2. Discussioni tecniche

In una recente discussione tra l'autore e Zhang, entrambi i professionisti hanno approfondito le sfide tecniche associate agli ascensori CSB, identificando diverse problematiche progettuali e operative. L'autore ha avviato la conversazione chiedendo a Zhang di fornire il rapporto ufficiale sulla breve durata di vita degli ascensori CSB, corredato da fotografie (Immagini da 1 a 5), ​​per un articolo che intendeva scrivere. Zhang ha riconosciuto il problema comune della durata di vita degli ascensori CSB, spesso limitata a tre-cinque anni, e ha evidenziato problematiche più ampie come rumore, vibrazioni, guasti dei cuscinetti e disallineamento del parallelismo tra la puleggia di trazione e i deviatori, che aggravano usura e sollecitazioni.

L'autore ha concordato con le osservazioni di Zhang e ha sollevato ulteriori punti, come l'inadeguatezza del rapporto D/d pari a 40 e i diametri delle pulegge di trazione che vanno da 80 mm a 120 mm. Ha paragonato l'inefficienza del sistema a "un cagnolino che tira un carro trainato da cavalli", attribuendo la rapida usura alla ridotta area di contatto e alle elevate velocità di rotazione. L'autore ha sottolineato il carico asimmetrico delle cinghie, che sovraccarica una singola cinghia, e il potenziale impatto di sollecitazioni non uniformi sui bordi delle cinghie. Zhang ha fornito ulteriori approfondimenti, condividendo come problemi come rumore, vibrazioni, guasti dei cuscinetti e frequenti aggrovigliamenti delle pulegge possano portare a gravi conseguenze come la caduta di contrappesi e auto. Ha sottolineato la complessità di affrontare queste sfide, in particolare nel contesto di una trazione eccessiva. Secondo Zhang, alcune aziende come la Società B applicano rivestimenti in Teflon™ per mitigare l'elevata trazione, mentre le catene di compensazione vengono utilizzate solo dalla Società A per edifici più alti di 16 piani.

La piattaforma dei lettori riflette l'esperienza e l'opinione dell'autore e non quella dell'editore.

In risposta, l'autore ha espresso scetticismo sul fatto che il problema fosse la "sottotrazione" piuttosto che la "sovratrazione", ma ha riconosciuto di aver appreso nuove prospettive da Zhang. Zhang ha elaborato la sua esperienza, maturata partecipando alla certificazione degli ascensori CSB nel 1999, e ha chiarito che il problema principale risiede nel danneggiamento della guaina delle cinghie in acciaio rivestito piuttosto che nei fili d'acciaio stessi. Ha sottolineato l'importanza dell'accuratezza fattuale, citando una rigorosa ricerca condotta presso il National Elevator Testing Center per contrastare potenziali critiche da parte di alcuni produttori di ascensori.

La discussione si è conclusa con una riflessione dell'autore sui limiti degli sforzi individuali nel dimostrare teorie tecniche in assenza di dati sperimentali robusti. Ha lamentato l'attuale tendenza nella letteratura scientifica a dare priorità ai costrutti teorici rispetto ai fatti del mondo reale, sottolineando la necessità di soluzioni pratiche e basate sull'evidenza per la CSB.

3. Sintesi del rapporto di indagine e di valutazione tecnica^[1]

3.1 Dettagli dell'ascensore

• Capacità: 800 kg; Velocità nominale: 1.75 ms
• Corda: 2:1; Sospensione: 3 OFF 30 mm x 3 mm (larghezza x spessore).
• Piani/Fermate: 27 piani/27 fermate (-1F, 1F a 26F, 1F è il piano principale)
• Catena di compensazione standard: Sì (ma è stata rimossa di recente)
• Distanza tra il centro delle guide della cabina e il centro dei deviatori sotto la cabina: 200 mm
• Da Shenzhen Qualità e Sicurezza
  Istituto di ispezione 25-12-2023

3.2 Disposizione generale (GA)

3.2.1 Caratteristiche del motore PM

T=BLR2πRA= 2BA(πR²L) = 2BAV dove T = coppia (totale), B = intensità del campo magnetico, L = lunghezza del conduttore nel campo magnetico, R = raggio equivalente del motore e V = volume del motore (sezione di lunghezza X L). Poiché la coppia è proporzionale al quadrato del raggio, è fondamentale iniziare con un motore a magneti permanenti (PM) (piatto) quando si progettano ascensori MRL.

Con un motore PM a matita, D deve essere il più piccolo possibile, motivo per cui alcuni produttori di MRL devono utilizzare cinghie anziché funi per azionare la cabina e il contrappeso. Quando le soluzioni per ascensori MRL (Figura 1) vengono utilizzate per ascensori con sala macchine (MRA) (Figura 2) per ridurre al minimo i costi, è necessario prestare particolare attenzione agli ascensori con "sala macchine piccola" per edifici di media altezza. Il semplice spostamento della macchina di un ascensore MRL dal vano al locale macchine per realizzare un ascensore MRA (Figura 2) non è accettabile, soprattutto per gli edifici residenziali alti.

4. Analisi dell'incidente

4.1 Eventi iniziali

Si può vedere che l'ascensore funzionava correttamente dal 24° piano al quarto piano.

4.2 Arresto di emergenza

La cabina dell'ascensore continuò a scendere dal quarto e terzo piano fino al primo piano; per questo motivo "il pulsante per il primo piano all'interno della cabina si spense". Ma la cabina non si fermò al primo piano, quindi le porte non si aprirono. Poi fece silenziosamente retromarcia verso l'alto. La cabina si fermò infine e improvvisamente tra il quarto e il terzo piano, posizionandosi a 1,465 mm sopra la soglia della porta del terzo piano.

4.3 Passeggeri sbalzati verso l'alto

"I passeggeri sono stati sbalzati verso l'alto". Questo accade in genere quando la cabina dell'ascensore supera la testata (o quando il paracadute del contrappeso [CTW] è attivato, ma questo ascensore non ne è dotato), facendo sì che il CTW colpisca gli ammortizzatori e impedisca alla cabina di continuare a salire. In questo caso, i passeggeri sono stati sbalzati verso l'alto perché la forza di trazione verso l'alto esercitata dalla cabina è improvvisamente scomparsa a causa della rottura del CTW, causando il rimbalzo (Figura 4).

4.4 Conclusione dell'incidente

Dalle Figure 16 e 17, le aree fortemente usurate delle cinghie devono essere le superfici di contatto tra le cinghie e la puleggia motrice quando la cabina dell'ascensore si trova al primo piano (piano principale). Il piano principale è il piano più trafficato, quindi le aree di contatto spesso resistono all'accelerazione in salita e alla decelerazione in discesa. Quest'area è la zona più vulnerabile lungo ciascuna cinghia. La Figura 5 fornisce ulteriori indicazioni sulla posizione dell'area danneggiata al piano 23, quando la cabina si è fermata tra il terzo e il quarto piano.

L'ascensore ha una capacità di 800 kg (10 persone). C'erano tre passeggeri nella cabina, il che significa che il CTW era più pesante del peso della cabina più il peso dei passeggeri. Quando la cabina si stava avvicinando al pianerottolo del primo piano, l'attrito tra la puleggia motrice e le cinghie si è improvvisamente ridotto o è scomparso, rendendolo insufficiente per trattenere la cabina nella zona di pianerottolo del primo piano. La cabina è stata tirata verso l'alto dal CTW, ma la macchina stava ancora scendendo. In questo momento, si è verificato un violento attrito radente tra la superficie della cinghia e la superficie della puleggia motrice, accompagnato da un'elevata quantità di calore, che ha causato gravi ustioni alla superficie della cinghia (Figura 8).

Quando la cabina ha superato il terzo piano e la velocità della cabina dell'ascensore ha superato la velocità limitata del limitatore (maggiore di 1.15 x 1.75 m/s = 2.0125 m/s) durante la salita, l'interruttore di sicurezza del limitatore è scattato (Figura 6), provocando l'attivazione dei freni della macchina dell'ascensore (Figura 14a).

Di conseguenza, la puleggia di trazione ha smesso di ruotare verso il basso. In questo momento, a causa della riduzione della velocità di movimento relativa tra la puleggia di trazione e le cinghie (Figura 14b), il coefficiente di attrito è aumentato bruscamente dal coefficiente di attrito radente, che è inferiore a 0.176 in condizioni di marcia (come indicato a P26 del rapporto originale[1]), al coefficiente di attrito equivalente di 0.48 in condizioni di ritenzione del carrello (coefficiente di attrito statico. Ma il coefficiente di attrito equivalente effettivo è pari a 0,48), con conseguente rapido ritorno dell'attrito radente (Figura 14c) ad attrito statico (Figura 14d).

L'improvvisa comparsa di attrito statico (con un coefficiente di attrito di 0.784, definito da Zhang "sovratrazione", conferma anche che il CSB ha un coefficiente di attrito instabile; più a lungo è in servizio, maggiore è il coefficiente). Contemporaneamente, il CTW, che inizialmente si muoveva verso il basso, è stato improvvisamente tirato verso l'alto da una forza tremenda. A questo punto, questa forza improvvisa ha causato la disintegrazione e la rottura del CTW in discesa. Il motivo della disintegrazione del CTW è che questo tipo di ascensore era progettato per una portata massima di 408 kg con una velocità nominale massima di 0.7 m/s. Di conseguenza, il peso della cabina, insieme a quello dei tre passeggeri, è diventato improvvisamente più pesante del peso rimanente del CTW. La cabina ha iniziato a precipitare verso il basso. Nel frattempo, il nottolino meccanico del limitatore si è bloccato nella direzione di discesa (Figura 7) e il dispositivo di sicurezza è stato attivato, fermando la cabina tra il terzo e il quarto piano.

Secondo ChatGPT: il coefficiente di attrito tra la puleggia motrice dell'ascensore (spesso realizzata in un materiale come ghisa o acciaio) e le funi d'acciaio è un fattore cruciale nella progettazione e nel funzionamento degli impianti di sollevamento. In genere, l'intervallo del coefficiente di attrito (μ) tra la puleggia motrice dell'ascensore e le funi d'acciaio è:

• Condizioni di asciutto: da 0.10 a 0.30
• Condizioni di lubrificazione: da 0.05 a 0.20*

Un impulso può anche essere considerato come la variazione della quantità di moto di un oggetto a cui viene applicata una forza risultante. L'impulso può essere espresso in una forma più semplice quando la massa è costante: J=F x Δt= m v2 - m v1, dove F è la forza risultante applicata, Δt è l'intervallo di tempo in cui l'impulso inizia e finisce, m è la massa dell'oggetto, v2 è la velocità finale dell'oggetto alla fine dell'intervallo di tempo e v1 è la velocità iniziale dell'oggetto all'inizio dell'intervallo di tempo.

I passeggeri vennero sbalzati verso l'alto a causa dell'effetto di rimbalzo provocato dalla scomparsa improvvisa della forza di trazione verso l'alto esercitata dall'auto, dovuta alla disintegrazione e rottura del contrappeso.

4.4.1. Il coefficiente di attrito del CSB

Il coefficiente di attrito tra funi d'acciaio e puleggia motrice in ferro è tipicamente compreso tra 0.15 e 0.3, ed è molto stabile; è per questo che si utilizza il metodo metallo su metallo per l'attrito come forza di trazione nel trasporto verticale. Tuttavia, il coefficiente di attrito tra le cinghie d'acciaio rivestite non solo è molto ampio (0.176-0.784), ma anche più a lungo è in servizio – maggiore è il coefficiente – maggiore è la probabilità di sovratrazione.

4.4.2 L'intervallo di velocità effettiva dei motori PM

La formula di base per la velocità di un motore a corrente alternata è: giri/min = 120*F/P. F è la frequenza di alimentazione in hertz (Hz) e P è il numero di poli del motore. I poli possono variare da due a 18 o più, a seconda del progetto. Il numero di poli di un motore determina le sue caratteristiche di velocità e coppia. Più poli comportano una velocità inferiore ma una coppia maggiore, mentre meno poli comportano una velocità maggiore ma una coppia inferiore. Per questo motore a magnete permanente a matita, per ottenere una velocità di rotazione maggiore, il numero di poli deve essere due.

A differenza dei motori induttivi CA, i motori PM non hanno una velocità di rotazione nominale; tuttavia, poiché i paesi europei e molte parti di Asia, Africa e Australia utilizzano 50 Hz, rendendolo lo standard per molte applicazioni industriali e commerciali su larga scala, la velocità di un motore PM con alimentazione CA a 50 Hz può essere considerata la velocità nominale o di riferimento: in questo caso, velocità (RPM) = 120 × 50 (Hz) / 2 = 3000 RPM.

La potenza di un corpo rotante può essere espressa come P = T e la potenza in uscita è costante quando la velocità è al di fuori della zona effettiva (Figura 15). Di conseguenza, l'intervallo di effetto (zona verde nella Figura 15) di un motore a magneti permanenti è compreso tra un millesimo e un centesimo della velocità nominale (sotto i 50 Hz), quindi 3000 giri/min X100‰=300 giri/min è la massima velocità di rotazione effettiva quando i motori a magneti permanenti sono in grado di funzionare a pieno carico con diametro della puleggia motrice D=80 mm.

• Quando la velocità nominale dell'ascensore è 0.7 m/s con rapporto di trasmissione 2:1, la velocità di rotazione = (2X 0.7 m/s X 60 s/min) / (0.08 mX3.14) = 334.39 giri/min.
• Quando la velocità nominale dell'ascensore è di 1.0 m/s con rapporto di trasmissione 2:1, la velocità di rotazione = 477.70 giri/min, che è 1.59 volte 300 giri/min come velocità inefficiente.
• Quando la velocità nominale dell'ascensore è di 1.75 m/s con rapporto di trasmissione 2:1, la velocità di rotazione = 835.975 giri/min, che è 2.78 volte 300 giri/min come velocità inefficiente.

4.4.3. La zona fortemente usurata dei CSB

Quando la cabina atterra al piano principale, la zona di maggiore usura lungo ogni CSB si verifica solo nella zona specifica in cui le cinghie entrano in contatto con la puleggia motrice (Figura 16). La disposizione sbilanciata del deviatore fa sì che la prima cinghia (quella che porta alla soglia della cabina) assuma carichi sbilanciati, quindi si usurerà molto più rapidamente delle altre (Figura 17).

5. CONCLUSIONE

La minuscola macchina PM a forma di matita funziona come "un cane che tira una carrozza trainata da cavalli tramite un dispositivo a puleggia 4:1" se confrontata con un motore PM a forma di salsiccia, dove il diametro della puleggia motrice è D = 320 mm e il diametro della fune è d = 8 mm, (D/d/=40), ma "il cane deve correre quattro volte più veloce di un cavallo per raggiungere il cavallo".

• L'ascensore incidentale ha una portata di 800 kg con velocità nominale di 1.75 m/s, ma con una velocità predefinita di 1.25 m/s (Figura 18), molto diversa da quella indicata nella brochure pubblicata sul sito web. Questo modello di ascensore CSB ha una portata massima di 408 kg, una velocità massima di 0.7 m/s, un massimo di otto fermate e un'altezza massima di 25 m.
• La disposizione del deviatore (figure 12 e 13) fa sì che la prima cinghia (quella che porta al longherone dell'auto) assuma un carico sbilanciato, per cui la prima cinghia si consumerà molto più rapidamente delle altre (figura 17).
• Quando le cinghie vengono utilizzate per gli ascensori MRA, i deviatori devono essere posizionati nella parte superiore della cabina, analogamente al deviatore sul CTW (Figura 20).
• Quando il diametro della puleggia di trazione è di 80 mm, gli ascensori CSB non sono adatti a velocità superiori a 1 m/s. È molto probabile che il limite sia 1.0 m/s.

6. Note dell'autore

L'ascensore MRL è il risultato dell'innovazione del motore a magneti permanenti (PM). Oggigiorno, i motori a magneti permanenti (PM) sono ampiamente utilizzati negli ascensori MRA al posto dei motori a corrente alternata (CA) o dei motori a corrente continua (CC). Il CSB è una buona tecnologia, ma presenta alcune limitazioni: è necessario prestare particolare attenzione alla portata massima e alla velocità degli ascensori. Pertanto, l'autore riporta alcune note di seguito:

• Questi piccoli motori PM a matita non sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ad altri motori PM a disco. Al contrario, quando la velocità di rotazione è superiore alla velocità effettiva, maggiore è la velocità di rotazione del motore PM e minore è l'efficienza energetica.
• Le CSB sono completamente diverse dalle funi d'acciaio e i codici e gli standard per le funi d'acciaio non sono applicabili alle CSB.
• Quando i deviatori si trovano sotto la piattaforma della cabina, le cinghie devono essere disposte simmetricamente su entrambi i lati delle guide della cabina (Figura 3).
• Poiché la zona gravemente usurata si verifica solo in una determinata area lungo ogni CSB (Figure 16 e 17), i produttori di ascensori CSB dovrebbero sviluppare un kit di riparazione rapida per risolvere regolarmente questo problema, come avviene con la riparazione degli pneumatici dei veicoli.
• Il coefficiente di attrito tra le CSB e la puleggia motrice è molto instabile (0.176-0.784); questo causerà una sovratrazione in caso di arresto di emergenza. Tuttavia, installare sistemi frenanti antibloccaggio (ABS) sui freni dell'ascensore CSB potrebbe essere una soluzione fattibile.
• A causa della sovratrazione delle CSB, la combinazione di un diametro ridotto della puleggia motrice e di un numero insufficiente di CSB è ancora in grado di azionare la cabina e il contrappeso in un ascensore CSB con una capacità fino a due volte superiore a quella del progetto originale. Ciò si traduce in una pressione eccessiva delle funi d'acciaio sulle guaine esterne di ciascuna CSB, causando potenzialmente la sporgenza e l'impigliamento delle funi d'acciaio all'esterno delle CSB (immagini 1 e 4). Pertanto, nuovi codici e standard dovrebbero affrontare anche questo problema.
• Per la soluzione sopra descritta, l'autore suggerisce i seguenti diametri delle pulegge motrici per gli elevatori CSB:
• D80 mm per 0.7-1.0 m/s con un dislivello massimo di 25 m senza ABS;
• D160 mm per 1.6-2.0 m/s con un dislivello massimo di 60 m con ABS;
• D240 mm come diametro minimo per 2.5-3.5 m/s con un dislivello massimo di 120 m con ABS e dispositivi di sicurezza sia sulla vettura che sul CTW in modo indipendente.

7. Riferimenti

[1] Rapporto di indagine e relazione di perizia tecnica sul “8.26” Incidente con infortunio per guasto all'ascensore a Zhong-Fang Ruizhi Comunità, distretto di Fu-Rong.

[2] Caratteristiche di azionamento PMSM e curve di vincolo, uk.mathworks.com.

8. Riconoscimento

Desidero esprimere la mia speciale gratitudine al signor Zhang Lexiang per la sua guida e il suo tutoraggio nella stesura di questo articolo.

*Secondo il Sig. Jaakko Kalliomäki, uno degli autori di "High-Speed ​​Rope Traction During Emergency Stops", presentato a Elevcon 2025: in applicazioni generali, si potrebbero utilizzare valori compresi tra 0.075 e 0.2 come minimo e massimo probabili per il coefficiente di attrito dinamico (radente). Tuttavia, il coefficiente di attrito è spesso considerato come una distribuzione di Weibull, quindi è possibile aspettarsi una certa quantità di valori superiori e inferiori. E, naturalmente, i valori sono specifici dell'applicazione, quindi è necessario prestare attenzione ai parametri dei materiali, alle condizioni ambientali, ecc.