Analisi strutturale assistita da computer del sistema telaio cabina dell'ascensore in condizioni operative di arresto di emergenza

I tuoi autori descrivono il modello CAA relativo alle previsioni di sollecitazione della cabina.

di Mohammad Ghaleeh, Stefan Kaczmarczyk, Shafqat Rasool, Jonathan Adams e Nawar Al-Esawi

Questo articolo è stato presentato per la prima volta dall'Online Symposium on Lift and Escalator Technologies, 23-25 ​​settembre 2020, dell'Università di Northampton, Regno Unito; Per maggiori informazioni visita liftsymposium.org.

parole chiave: Automobile, telaio, tamponamento, dinamica, flessione, flessioni, sollecitazione ammissibile

Astratto. Il documento presenta il modello Computer-Aided Analysis (CAA) di un sistema di telaio per cabina. L'analisi strutturale viene effettuata mediante l'applicazione del Metodo degli Elementi Finiti (FEM) per prevedere le risposte e le sollecitazioni che si manifestano nel sistema in condizioni di emergenza. Lo scenario di emergenza presentato nel documento prevede un evento di sciopero del buffer che si verifica durante l'extracorsa dell'auto. Il modello può quindi essere utilizzato per ottimizzare il design per garantire un funzionamento sicuro del sistema.

Introduzione

I sistemi di trasporto verticale (VTS) come gli ascensori (ascensori) sono elementi chiave nell'ambiente costruito, specialmente nell'ambiente dei grattacieli. È estremamente importante che la progettazione di VTS fornisca un servizio efficiente e sicuro agli occupanti e agli utenti dell'edificio.^[1]

I carichi dinamici agiscono sui componenti del sistema di sollevamento durante il normale funzionamento e le condizioni di emergenza. Potrebbero quindi verificarsi elevati livelli di sollecitazioni dinamiche nella struttura del telaio della cabina dell'ascensore. Per soddisfare i requisiti degli standard di sicurezza e per soddisfare i criteri per un servizio accettabile, la comprensione approfondita dei principi e dei modelli ingegneristici applicati è di fondamentale importanza nell'esecuzione dei calcoli del sistema.^[2]

Lo scopo di questo lavoro è dimostrare una soluzione assistita da computer e un'analisi delle risposte dinamiche che si verificano durante uno scenario di emergenza. L'arresto di emergenza viene avviato quando l'auto supera il piano del terminal designato in fondo al vano corsa. I carichi dinamici che si presentano durante l'evento sono determinati e applicati nell'analisi strutturale FEM dei componenti strutturali del telaio dell'auto.

Extracorsa in auto e arresto di emergenza

Il meccanismo di arresto dell'extracorsa è costituito da respingenti sotto l'auto (e spesso sotto il contrappeso).^[2] Tre tipi di buffer sono consentiti dai codici di sicurezza^[3]: tamponi lineari ad accumulo di energia; tamponi di accumulo di energia non lineari; e ammortizzatori di dissipazione di energia. Considera uno scenario in cui l'auto colpisce un tampone di dissipazione di energia (Figura 1).

L'equazione del moto che descrive la dinamica del sistema quando l'auto viaggia in velocità V ha impegnato un buffer di dissipazione di energia (evento di buffering) è dato come

where g è l'accelerazione di gravità, x è lo spostamento, M è la massa del gruppo auto-telaio, c rappresenta il coefficiente di smorzamento e k denota il coefficiente di rigidezza del respingente. Il tampone che agisce sulla piastra di riscontro del tampone è determinato come

In questo modello dell'autotelaio, la dinamica del buffer è rappresentata dalla modalità fondamentale con l'autotelaio trattato come un corpo rigido. Risolvendo l'equazione del moto (1), la forza tampone può essere facilmente valutata dall'equazione (2).

Analisi strutturale dell'assieme auto-telaio

Per determinare le deformazioni dinamiche e i livelli di stress dell'assieme auto-telaio, il sistema può essere analizzato mediante l'applicazione del metodo degli elementi finiti (FEM). Il comportamento della struttura è quindi rappresentato dalla seguente equazione^[4]

dove [M] è la matrice di massa, [C] è la matrice di smorzamento, [K] è la matrice di rigidità,  è il vettore di carico e  denota il vettore spostamento.

Modello CAD

L'assieme cabina-telaio dell'ascensore è una combinazione di tre componenti distinti: carrozzeria della cabina (involucro), imbracatura (telaio) e piattaforma della cabina. Un modello CAD utilizzato nello studio è mostrato nella Figura 2.

Analisi della modalità fondamentale del sistema di buffer del telaio dell'auto

L'equazione (1) può essere riformulata in termini di parametri fondamentali della modalità come

where  è il rapporto di smorzamento e  rappresenta la frequenza fondamentale del sistema di buffer auto-frame.

L'equazione (4) viene quindi risolta considerando la velocità della cabina di 2 m/s, il rapporto di smorzamento z = 0.25, 0.75 e la frequenza fondamentale assunta rispettivamente di 1.63 Hz. I risultati sono mostrati in Fig. 3.

Le inflessioni dinamiche sono mostrate in Figura 3 (a) e le forze tampone sono illustrate in Figura 3 (b), rispettivamente.

La valutazione dei respingenti si basa sull'arresto dell'auto a partire dal 115% della velocità nominale (la velocità di viaggio elettrica del limitatore di velocità). Codici di sicurezza^[4] stabiliscono che la corsa totale possibile degli ammortizzatori di dissipazione dell'energia deve essere almeno uguale all'arresto per gravità. Considerando che l'auto urta l'ammortizzatore alla velocità nominale e allo spazio di arresto per gravità, per la velocità nominale di V = 2 m/s, si calcola come = 0.2696 m, è evidente che le flessioni massime del respingente sono inferiori alla corsa minima del respingente.

Simulazione e risultati FEM

Nella simulazione FEM dell'assieme auto-telaio, viene selezionata la struttura della trave del canale del buffer. Le sollecitazioni di flessione (Figura 4) e i livelli di flessione (Figura 5) sono determinati nelle condizioni di carico massimo come illustrato in Figura 3 (b).

Le sollecitazioni massime consentite nella tavola del paraurti del telaio dell'auto in condizioni di buffering specificate in ASME A17.1 sono date come 189.6 MPa (27,500 psi). È evidente che nelle condizioni di carico considerate, i livelli massimi di sollecitazione (determinati rispettivamente come 142.4 MPa e 112.9 MPa) non superano il valore ammissibile. La pratica normale per gestire i carichi che agiscono sulla struttura della trave del canale del buffer (plancia di sicurezza) è garantire che le flessioni non siano superiori a esimo dell'intervallo dei canali. Considerando la lunghezza della campata di 2350.7 mm, le flessioni massime (determinate rispettivamente come 0.9687 mm e 0.7679 mm) rientrano nell'intervallo accettabile.

Conclusioni

L'analisi e i risultati presentati in questo documento dimostrano che grandi deformazioni e livelli di stress possono verificarsi in un sistema di sollevamento durante un evento di arresto di emergenza innescato dall'eccessivo spostamento dell'auto. La sollecitazione e la flessione nei canali tampone devono essere valutate nel peggiore dei casi di funzionamento. Questo potrebbe essere durante gli eventi di buffering, come dimostrato nel documento.

Referenze

[1] S. Mirhadizadeh, S. Kaczmarczyk, N. Tongue, H. Al-Jelawy, P. Feldhusen, W Delk, K. Anderson, F. Dudde, "Modellazione e simulazione al computer delle interazioni aerodinamiche nei sistemi di sollevamento a molti piani .” Atti del 5° Simposio sulle tecnologie degli ascensori e delle scale mobili. Volume 5, settembre 2015, Northampton, Regno Unito, pp. 117-123.

[2] JP Andrew e S. Kaczmarczyk, Ingegneria dei sistemi degli ascensori. Elevator World, Cellulare, AL (2011).

[3] British Standards Institution, Norme di sicurezza per la costruzione e l'installazione di ascensori — Ascensori per il trasporto di persone e merci Parte 20: Ascensori per passeggeri e merci. BS EN 81-20:2014.

[4] SS Rao, Vibrazioni meccaniche. Prentice Hall, Singapore (2005)

Nota dell'editore: gli autori sono membri della Facoltà di Lettere, Scienze e Tecnologia (FAST), Università di Northampton, University Drive, Northampton NN1 5PH, Regno Unito