Parametri di progettazione e analisi delle sollecitazioni delle staffe per binari di guida degli ascensori

Questa ricerca ingegneristica fornisce uno sguardo ai vari aspetti delle rotaie di guida e alla loro importanza per la sicurezza degli ascensori.

di Serhat Koç, Dr. C. Erdem Imrak e Sefa Targit

Astratto

I sistemi di ascensori sono costituiti da troppi componenti e le guide sono le più importanti in termini di sicurezza degli ascensori. Per un viaggio sicuro, fluido e confortevole, la staffa per binari di guida è uno dei componenti più importanti insieme ai binari di guida. Le staffe per binari di guida vengono utilizzate per l'installazione dei binari di guida sulla parete. In questo studio, sono stati commentati i risultati del calcolo del binario di guida per diverse situazioni di carico e le staffe e le clip del binario di guida analizzate.

1.Introduction

In pratica le rotaie di guida della cabina vengono fissate in due modi differenti, nella parte superiore del pozzo (binario di guida sospeso) o in fossa e le staffe di guida vengono posizionate a distanze regolari tra loro lungo la rotaia per sostenere la rotaia. Le operazioni dei dispositivi di sicurezza sono importanti nei calcoli dei binari di guida (Day, 2000; Imrak et al, 2006). In questa operazione è molto importante fissare regolarmente la vettura ai box. Se il binario guida non è adeguatamente fissato alla fossa durante il funzionamento del dispositivo di sicurezza, le staffe del binario guida sono soggette a carichi verticali estremi. Queste situazioni sono modellate in questo studio utilizzando l'analisi agli elementi finiti con il software ABAQUS/CAE 6.6-1 e la distribuzione delle sollecitazioni sulle staffe della guida è ottenuta per analizzare il comportamento statico (Koç, 2009).

Le rotaie di guida dell'ascensore e le sue periferiche e i paracadute sono i componenti più importanti del sistema di ascensori che richiedono elevati requisiti di sicurezza. In circostanze normali, i binari di guida definiscono semplicemente i percorsi degli ascensori lungo i quali gli ascensori percorrono e si presume che siano risparmiati dai carichi e dalle forze imposte sulle cabine dell'ascensore (Demirsoz et al, 2005). Durante la corsa dell'ascensore, le forze saranno relativamente basse, soprattutto se la cabina è ben bilanciata e il carico è ben distribuito. Gli altri carichi esercitati sulle rotaie proverranno dal funzionamento dei paracadute in condizioni di emergenza (Targit, 2002). I carichi esercitati possono essere molto elevati, a seconda del tipo di paracadute (Imrak et al 2006).

Sono stati condotti considerevoli studi di ricerca sulle rotaie di guida degli ascensori e sui dispositivi di sicurezza come discusso in (Imrak et al 2008a). Ma in letteratura sono stati pubblicati studi limitati su staffe e clip per binari di guida.

2. Staffa per binario di guida

I sistemi di ascensori in genere includono una cabina dell'ascensore che viaggia in direzione verticale all'interno di un vano corsa. Tipicamente, un sistema di ascensore include rotaie di guida montate all'interno di una via di sollevamento per guidare una cabina dell'ascensore e contrappeso durante il movimento tra i piani di un edificio. Le guide sono fissate alle pareti del vano corsa o alle travi strutturali mediante staffe di montaggio. Le staffe di montaggio sono distanziate l'una dall'altra a intervalli definiti lungo il binario di guida per supportare il binario di guida e forniscono un montaggio sufficientemente rigido (Koç, 2009).

Un sistema di montaggio su binario dell'ascensore per posizionare una coppia di binari di guida dell'ascensore, in grado di centrare una cabina dell'ascensore lì tra, in un vano di corsa comprende una staffa a forma di L, montabile nel vano di corsa a una distanza regolabile dal suo lato di ingresso, per il fissaggio dell'angolare relazioni e distanze tra le rotaie di guida, un davanzale di piano e un telaio della porta del corridoio per assicurare una distanza di marcia costante tra la cabina dell'ascensore e il davanzale del piano e per mantenere il corretto allineamento della cabina dell'ascensore e il telaio della porta del corridoio.

La staffa a forma di L include una traversa regolabile orizzontalmente e verticalmente montata dal lato di ingresso del vano corsa sostanzialmente adiacente e parallela ad esso. Una coppia di staffe per binari paralleli, distanziati di una distanza predeterminata e che si estendono nel vano di corsa perpendicolarmente alla traversa, supportano i binari di guida in un piano verticale sostanzialmente parallelo al lato di ingresso del vano di corsa e mantengono la distanza tra i binari di guida a un valore fisso predeterminato.

Staffa di fissaggio guida, comprendente almeno una parte del corpo, fermagli di guida ed elementi di serraggio, caratterizzata dal fatto che almeno una delle guide di scorrimento è fissata mediante staffe di fissaggio di guida. La staffa di fissaggio della guida ha almeno un elemento di serraggio, preferibilmente un bullone, per il fissaggio e il serraggio delle clip della rotaia e che tiene in posizione almeno una rotaia di guida, e che la staffa di fissaggio della guida ha un solo elemento di serraggio per una rotaia di guida da fissare. La staffa di fissaggio della guida è realizzata in St37 e comprende almeno una piastra di supporto che è dotata di sedi di montaggio per le rotaie di guida e che può essere montata sulla parte del corpo.

La rotaia di guida è tipicamente una trave a forma di T avente una porzione di flangia fissata alle staffe di montaggio, che sono fissate alla parete o alle travi strutturali. Le staffe di montaggio tipicamente comprendono fermagli di rotaia che si sovrappongono a quella porzione della rotaia di guida fissata alla parete o ad un'altra trave strutturale all'interno del vano corsa. Le staffe di montaggio e le due clip del binario fissano, intrappolano e bloccano la parte della flangia del binario di guida contro una parete interna o una trave strutturale all'interno del vano corsa.

Durante l'installazione, il binario di guida deve essere spostato in una posizione di montaggio corretta prima che le staffe possano essere fissate per fissare il binario di guida in posizione. Le staffe spesso ruotano con il movimento della rotaia di guida provocando una torsione indesiderata e il bloccaggio delle clip contro la rotaia di guida. Inoltre, il movimento della rotaia di guida per l'allineamento e per compensare le incongruenze nella rotaia di guida non sono facilmente adattati con clip di rotaia convenzionali.

Di conseguenza, è desiderabile sviluppare e progettare una staffa di montaggio che sia regolabile per accogliere rotaie di guida di dimensioni diverse e che possa essere fissata in modo mobile alla rotaia di guida per facilitare l'installazione all'interno di un pozzo.

3. Modellare il sistema

Il metodo degli elementi finiti è una procedura numerica che può essere applicata per ottenere soluzioni a una varietà di problemi in ingegneria. La previsione accurata delle sollecitazioni sperimentate sulle rotaie di guida può essere ottenuta solo attraverso l'applicazione di tecniche di ingegneria computazionale. Le soluzioni agli elementi finiti per binario di guida e mensole costituiscono principalmente approcci bidimensionali statici alle sollecitazioni (Moaveni, 1999). Al fine di analizzare il comportamento statico del binario di guida e del sistema di staffe durante il funzionamento del paracadute, i parametri richiesti relativi alla cabina e al binario di guida per questo studio sono riportati nella Tabella 1.

I carichi agenti sulle rotaie di guida sono calcolati secondo la EN81-1 per il funzionamento del paracadute in discesa. Sono stati utilizzati i dati delle guide per ascensori raccolti da ASRAY Inc., dove viene prodotta la produzione in serie di guide per ascensori.

Il modello agli elementi finiti del sistema è costituito da 37773 nodi, 16476 elementi tetraedrici a quattro nodi (C3D49) e 22736 elementi in mattoni a otto nodi con integrazione ridotta (C3D8R), per un totale di 39212 elementi. Il modello solido e il modello agli elementi finiti del sistema sono mostrati in Figura 1.

La discretizzazione del binario di guida, della staffa e delle clip viene eseguita utilizzando elementi finiti 3D C3D8R che vengono salvati nella libreria del software CAD. È un elemento adatto all'analisi di strutture a travi da sottili a moderatamente spesse. Anche questo elemento si basa su brick lineari a 8 nodi e integrazione ridotta con controllo a clessidra. L'elemento ABAQUS C3D8R è impreciso con un elemento di spessore, ma all'aumentare di questo numero i risultati sono migliorati.

La guida e le staffe sono state modellate come parte deformabile e le clip sono state modellate come parte rigida non deformabile nella modellazione ad elementi finiti. La dinamica esplicita è stata selezionata come tipo di analisi in ABAQUS/CAE. Il materiale utilizzato nel modello di binario di guida è in St 37 ed elastico omogeneo, isotropo secondo la legge di Hooke, e il modello a staffa è in St42 ed elastico omogeneo, isotropo secondo la legge di Hooke, e il modello a clip è in Cm45 e le proprietà del materiale sono riportato nella tabella 2 (Koç, 2009).

Il modello agli elementi finiti del binario di guida ha 6885 nodi e 4704 elementi (C3D8R). Allo stesso modo il modello agli elementi finiti della staffa del binario di guida ha 6680 nodi e 4508 elementi (C3D8R). Le staffe del binario di guida sono discretizzate in 3 parti e il modello agli elementi finiti è imballato in base a queste parti. Il modello agli elementi finiti delle clip ha 1042 nodi e 4119 elementi (C3D4).

Sono indicate tre diverse condizioni al contorno per il modello agli elementi finiti generato. Questi sono:

1. tra la staffa del binario guida e il lato della parete, 1 spostamento e 2 rotazioni prendono zero (U3=UR1= UR2=0)
2. per i tasselli che servono per fissare la staffa del binario guida al lato della parete, tutti gli spostamenti prendono zero (U1=U2=U3=0)
3. tra il fondo del binario di guida e la fossa per fissare il binario di guida, tutti gli spostamenti e le rotazioni prendono zero

4. Risultati numerici e computazionali

I carichi agenti sulla rotaia e sulle mensole sono stati calcolati secondo la relativa norma (EN81-1) per i diversi casi; funzionamento normale, uso normale-carico, funzionamento del dispositivo di sicurezza in discesa e funzionamento del paracadute ascendente con diverse distribuzioni del carico.

Le modalità di calcolo delle forze, delle sollecitazioni e quindi della scelta delle dimensioni della rotaia di guida sono stabilite nella relativa norma. Nei calcoli delle rotaie di guida, che sono fissate nella parte inferiore del vano ascensore, vengono considerate le sollecitazioni di trazione anziché le sollecitazioni di instabilità. Sono accettati i calcoli dei binari guida basati sui problemi menzionati in (Imrak et.al, 2008a). In questo studio, la distribuzione del carico nella configurazione dell'auto a guida centrale e sospesa e le relative dimensioni sono illustrate nella Figura 2 (Imrak et al, 2008b).

Calcolando le sollecitazioni flettenti nei diversi assi del binario di guida, si può presumere che:

1. Il binario di guida è una trave continua con punti di fissaggio flessibili a distanze della lunghezza l,
2. La risultante delle forze che causano le sollecitazioni flettenti agisce nel mezzo tra punti di fissaggio adiacenti,
3. I momenti flettenti agiscono sull'asse neutro del profilo del binario di guida

Il binario di guida è supportato all'estremità inferiore della fossa e le staffe del binario di guida sono posizionate a distanze regolari l'uno dall'altro lungo il binario di guida (Janovsky, 1999).

Per analizzare la distribuzione delle sollecitazioni e le flessioni della staffa del binario di guida, è stato selezionato il software ABAQUS/CAE 6.6-1 come strumento di analisi agli elementi finiti. Le distribuzioni delle sollecitazioni e delle deformazioni sono illustrate nella Figura 3 per le normali condizioni di utilizzo e la distribuzione del carico è nella parte anteriore.

Per vedere gli effetti del fissaggio del binario di guida alla fossa nelle operazioni dei dispositivi di sicurezza, in questo studio viene analizzato un altro caso. Come si evince dalla Tabella 3, il carico verticale è sopportato dalla rotaia stessa e parzialmente dalle mensole quando la rotaia di guida è fissata in fossa e sia i valori di sollecitazione che di spostamento sono entro i limiti consentiti. Per un caso diverso, la distribuzione delle sollecitazioni von Misses e lo spostamento delle staffe del binario di guida e delle clip per il non fissaggio alla situazione della fossa sono mostrati nella Figura 4.

I valori ottenuti delle sollecitazioni e dei valori degli spostamenti per le staffe e le clip delle guide di scorrimento sono tabulati nella Tabella 3. Questi risultati sono ottenuti dal software ABAQUS/CAE.

Come si vede dalla tabella, la situazione più importante per staffe e clip sono le operazioni dei dispositivi di sicurezza. Ma i valori delle sollecitazioni e i valori degli spostamenti avvenuti nelle mensole delle guide, in questo studio, sono considerevoli per tutte le distribuzioni e situazioni di carico.

Si considera la rotaia di guida non fissata alla condizione di fossa e si calcolano i valori delle sollecitazioni e degli spostamenti. La tabella 3 mostra anche il confronto dei valori di sollecitazione e spostamento per le condizioni fisse e non fisse.

5. Risultati e discussioni

In questo studio, le staffe del binario di guida dell'ascensore sono considerate per diverse distribuzioni di carico in diverse situazioni operative. La modellazione agli elementi finiti e l'analisi del sistema sono gestite utilizzando il software commerciale ABAQUS/CAE. Le analisi nello studio mostrano che i valori di sollecitazione e spostamento verificatisi nelle staffe delle guide sono notevoli ma le situazioni più critiche sono le operazioni dei dispositivi di sicurezza. I risultati mostrano che il fissaggio del binario di guida è molto importante per il binario di guida e le staffe del binario di guida. Il carico verticale è per lo più sopportato dalle staffe del binario di guida e i valori di sollecitazione e spostamento diventano maggiori dei limiti consentiti. Il binario di guida deve essere fissato correttamente tenendo conto del margine di movimento verticale durante il funzionamento del paracadute.

Riconoscimento

Questa ricerca fa parte del lavoro per il progetto finanziato dal Fondo di ricerca ITU: Grand No: 11_06_106 "Indagine sui parametri di progettazione e analisi dei dispositivi di sicurezza progressivi".

Referenze
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Imrak, CE, Bozdag, E., Sunbuloglu, E., Toprak, T., Targıt, S. (2006). Analisi sperimentale delle sollecitazioni delle rotaie di guida, tecnologia degli ascensori 16, proc. di ELEVCON'2006, pp.111-119.
Imrak, CE, Bedir, S., Targıt, S. (2008a). Indagine sulle sollecitazioni su rotaie di guida e paracadute, tecnologia degli ascensori 17, proc. di ELEVCON '2008, pp.111-119.
Imrak, CE, Bedir, S., Kayao˘glu, E. (2008b). Modellazione degli elementi finiti e analisi delle sollecitazioni sulle rotaie di guida durante il funzionamento dei dispositivi di sicurezza, Simposio sulla meccanica delle strutture snelle MoSS 2008, Baltimora, USA.
Janovsky, L. (1999). Elevator Mechanical Design, la terza edizione, Ellis Horwood Publ., Londra, 322 pp.
Koç, S. (2009). Analisi delle sollecitazioni delle staffe della guida per ascensori, MSc. Tesi, ITU, Istanbul.
Moaveni, S. (1999). Analisi agli elementi finiti: teoria e applicazione con ANSYS, Prentice-Hall, New Jersey.
Targit, S. (2002). Guide per ascensori, Installazione e Allineamento, Elevator World Settembre 2002, pp.102-105.