Freni per ascensori 1895-1927

In questo articolo di storia, il tuo autore fornisce una breve presentazione dei primi sistemi frenanti.

La prima edizione del famoso libro di Frederick A. Annett sugli ascensori elettrici apparve nel 1927. Annett dedicò due capitoli ai freni: uno a corrente continua e uno a corrente alternata. Il primo includeva un'introduzione generale alla tecnologia dei freni:

“Su una macchina per ascensori, il freno è una delle parti più importanti dell'attrezzatura, poiché dal suo corretto funzionamento dipende non solo la sicurezza ma anche il buon funzionamento della macchina. Se il freno non funziona, l'operatore può perdere il controllo della vettura, con gravi conseguenze. Se il freno viene applicato troppo bruscamente, l'auto verrà fermata con uno sgradevole sobbalzo per i passeggeri e l'attrezzatura verrà messa a dura prova inutilmente. Quando il freno non viene applicato con forza sufficiente, l'auto sarà difficile da controllare e atterrare al piano”.^[1]

Annett ha anche osservato che: "I freni per ascensori sono stati realizzati in tante forme quanti sono i tipi e le marche di macchine, quindi tutto ciò che si può fare in qualsiasi articolo è indicare alcuni dei diversi tipi e come funzionano e sono regolati.”^[1]

Questi commenti introduttivi sono stati seguiti da una discussione illustrata su otto sistemi di frenatura a corrente continua. Sebbene Annett abbia fatto esplicito riferimento ad alcuni sistemi come rappresentativi di tipi di freno "precedenti", il lettore ha avuto l'impressione che l'autore stesse, principalmente, discutendo delle tecnologie contemporanee. Tuttavia, un esame del contenuto rivela che, quando il libro è stato pubblicato, molti di questi sistemi frenanti avevano più di 30 anni.

A metà degli anni 1890, la Elecktron Manufacturing Company aveva sviluppato un sistema frenante elettrico/meccanico (Figura 1). Le ganasce dei freni erano composte da due bracci o fasce curve che circondavano quasi completamente la ruota del freno. Il design originale utilizzava fasce in ghisa che portavano ganasce dei freni in legno (nel 1910 queste erano state sostituite con scarpe in pelle).

Le fasce erano incernierate su un lato della ruota e collegate alla leva del freno dall'altro. L'azione della leva era controllata da un elettromagnete e da un dashpot ad aria. Quando l'elettromagnete è stato eccitato, ha spinto uno stantuffo verso l'alto che ha sollevato la leva del freno e rilasciato i freni. Quando l'alimentazione è stata rimossa, il peso della leva ha causato la chiusura dei freni. Il dashpot controllava la velocità di queste azioni ed era impostato in modo tale che il freno non fosse applicato troppo rapidamente, consentendo così un arresto regolare.

Nello stesso periodo, Otis sviluppò un progetto elettrico/meccanico che comprendeva anche ganasce freno a nastro (Figura 2). Tuttavia, con questo freno, il suo uso normativo era del tutto meccanico in funzione, con l'azione del freno controllata da una ruota del caricatore. L'elettromagnete è stato utilizzato come dispositivo di sicurezza ed è stato attivato solo nei casi in cui l'ascensore ha superato i suoi limiti superiore o inferiore. In questo caso, l'elettromagnete verrebbe diseccitato, il che ha rilasciato un peso che ha causato l'innesto del freno.

I freni Elektron e Otis, con le loro ganasce a fascia, erano essenzialmente variazioni sul sistema frenante più comunemente usato dal 1860 al 1900, che utilizzava una fascia continua rivestita in pelle che circondava la ruota del freno. Tuttavia, alla fine del primo decennio del XX secolo, era apparso un nuovo design che stabiliva le caratteristiche di base dei freni moderni.

Durante questo periodo, Otis sviluppò diversi sistemi frenanti completamente elettrici che impiegavano ganasce dei freni rivestite in pelle montate su entrambi i lati di una ruota del freno centrale. Ogni scarpa era collegata al suo centro ad una leva del freno il cui funzionamento era controllato da una molla montata sopra il freno. L'azione delle molle era controllata da un elettromagnete a doppio nucleo. Quando eccitato, l'elettromagnete ha tirato le molle verso l'interno, che ha rilasciato i freni.

Su una macchina per ascensori, il freno è una delle parti più importanti dell'attrezzatura, poiché dal suo corretto funzionamento dipende non solo la sicurezza ma anche il buon funzionamento della macchina.

Annett ha osservato che questo progetto richiedeva solo "un piccolo movimento delle varie parti durante il funzionamento".^[1] Inoltre, poiché le ganasce dei freni erano "incernierate al centro e sollevate dalla ruota al diametro orizzontale dalle leve, vengono sollevate a una distanza uguale dalla ruota in tutti i punti".^[1] Questo è stato un miglioramento rispetto ai freni a nastro in cui le scarpe, quando rilasciate, erano spesso a distanze leggermente variabili dalla ruota, il che a volte causava un'usura irregolare delle scarpe.

Nel 1911, l'ingegnere Otis Frederick Hymans ha fornito una descrizione dettagliata del funzionamento del nuovo sistema frenante di Otis quando utilizzato su ascensori a trazione ad alta velocità:

“Una parte importante delle macchine per ascensori di questo tipo è il freno, poiché il piccolissimo attrito meccanico del macchinario rende necessario fare affidamento interamente sul freno per trattenere la cabina al piano. Il freno è essenzialmente un freno di stazionamento, cioè le ganasce non vengono applicate fino a quando la macchina non è stata praticamente portata all'arresto mediante frenatura dinamica e presenta come tale uno sviluppo interessante. Sarebbe indesiderabile arrestare macchine per ascensori ad alta velocità di questo tipo mediante frenatura meccanica, a causa della grande variazione delle distanze di arresto che risulterebbe se fosse applicata una pressione di frenatura fissa per arrestare ascensori con carichi in continua evoluzione. Inoltre, l'usura di un tale freno richiederebbe continue regolazioni. Il freno è trattenuto da molle e rilasciato da un magnete del freno, il quale è provvisto di un avvolgimento in derivazione di proporzioni tali che la sua autoinduzione provoca un apprezzabile ritardo di tempo tra la chiusura del suo circuito e il rilascio delle ganasce del freno. Pertanto, mentre i circuiti dell'indotto e del freno sono chiusi praticamente contemporaneamente, trascorre un tempo sufficiente per creare la coppia completa del motore prima che il freno venga rilasciato. Quando la corrente viene interrotta, vi è di nuovo un ritardo sufficiente per consentire al motore di arrestarsi praticamente per azione del freno dinamico prima che il freno si attivi. Insieme al vantaggio di fermarsi quasi completamente con la frenata dinamica, c'è il fatto che l'usura delle ganasce del freno è al minimo e, una volta impostata, il freno raramente richiede ulteriori regolazioni.^[2]

L'uso della frenata dinamica era stato infatti introdotto negli anni 1890 ed era una caratteristica dei precedenti sistemi Elektron e Otis.

Annett ha illustrato due esempi di freni elettrici di Otis (Figure 3 e 4). Il primo è stato descritto come un "freno per l'uso su uno dei primi tipi di ascensori ad alta velocità" e il secondo è stato descritto come progettato per l'uso su una "macchina a trazione diretta ad alta velocità". ^[1] Un confronto di quest'ultimo con i manuali tecnici Otis contemporanei rivela che questo era uno dei pochi sistemi veramente "moderni" discussi da Annett (Figura 5).

Questo fatto, insieme al crescente utilizzo di ascensori a trazione ad alta velocità, può spiegare la sua decisione di dedicare l'ultimo terzo del capitolo sui freni a corrente continua a questo sistema.

Annett ha utilizzato questa presentazione anche come forum per discutere gli aspetti fondamentali del funzionamento dei freni. Ha descritto per primo l'impatto sul funzionamento dei freni dei carichi variabili trasportati dagli ascensori, che andavano da "gli estremi di pieno carico in salita e pieno carico in discesa". ^[1] Ha riassunto questa discussione ricordando al lettore che “l'energia di una massa in movimento è proporzionale al suo peso per il quadrato della sua velocità; pertanto, l'azione frenante richiesta aumenta con il peso ed il quadrato della velocità. Il doppio della massa richiede il doppio dell'azione frenante; raddoppiare la velocità richiede quattro volte la potenza di frenata”.^[1]

Annett ha quindi descritto i "tre fattori distinti che determinano l'arresto di un ascensore".^[1] Questi sono stati identificati come:

1. La forza di gravità, dovuta al carico sbilanciato che favorisce o si oppone all'arresto.
2. Il motore funge da generatore quando l'alimentazione viene interrotta.
3. L'attrito delle ganasce del freno sulla puleggia del freno.^[1]

Ogni argomento è stato discusso in modo approfondito e ha incluso le formule appropriate necessarie per comprendere il loro impatto sul funzionamento dei freni.

Ha anche fornito due schemi circuitali, uno che illustrava il sistema di frenatura dinamica e uno che illustrava l'avvolgimento del freno (Figure 6 e 7). Quest'ultimo rappresentava le quattro resistenze impiegate dall'avvolgimento: “BR, resistenza freno; ABR, resistenza freno ausiliario; PBR, resistenza freno parallelo; (e) PBR', resistenza al freno parallelo ausiliario.”^[1] L'ABR ha ridotto la corrente dell'avvolgimento del freno dopo il rilascio delle ganasce del freno. Questo ha ridotto il "riscaldamento del magnete del freno, fornendo allo stesso tempo un rapido rilascio del freno all'avvio".^[1] Le resistenze PBR e PBR utilizzavano "l'energia immagazzinata nell'elettromagnete del freno per fornire un'applicazione lenta delle ganasce del freno alla puleggia".^[1]

Questa breve presentazione dei primi sistemi frenanti, come si trova nel libro di Annett del 1927, fornisce un'istantanea di questa tecnologia durante il primo quarto del XX secolo. Inoltre, in molti modi, coinvolge questa importante storia da qualche parte "nel mezzo", poiché le origini precise dei sistemi di freno a nastro e a pattino non sono state discusse. Sono necessarie ulteriori indagini per comprendere appieno la storia dei sistemi frenanti e questo materiale verrà esaminato in articoli futuri.

Un ulteriore argomento degno di indagine è la manutenzione dei freni, argomento che Annett affronta in modo molto dettagliato, come illustrato dal seguente esempio:

“Prima che ci si possa aspettare che un freno funzioni correttamente, la superficie delle sue guarnizioni deve essere in buone condizioni. Esistono tre materiali comuni utilizzati per rivestire le ganasce dei freni, ovvero pelle, amianto e legno, e la preferenza per questi materiali è nell'ordine indicato. La superficie dei rivestimenti deve essere mantenuta priva di olio e sporco. L'olio potrebbe fuoriuscire lungo l'albero della vite senza fine dalla scatola degli ingranaggi e raggiungere la ruota del freno. Quando ciò si verifica, le scarpe devono essere rimosse e l'olio e lo sporco devono essere raschiati via con il vetro o lavati con benzina. Si possono fare applicazioni di terra Fullers per assorbire l'olio, dopodiché può essere raschiato per lasciare pulita la superficie del rivestimento. Le guarnizioni dei freni in pelle a volte diventano secche e dure, nel qual caso dovrebbero essere trattate con una buona medicazione in pelle o olio di Neatsfoot.^[1]

Questo argomento sarà esaminato anche in articoli futuri, che probabilmente includeranno un'esplorazione degli atteggiamenti nei confronti della sicurezza sul lavoro, in particolare alla luce di indicazioni come il suggerimento di utilizzare la benzina - in uno spazio di lavoro chiuso - come agente di pulizia.

Referenze

^[1] Frederick A. Annett, "Ascensori elettrici", New York: McGraw-Hill Book Company (1927).

^[2] Frederick Hymans, "Ascensori elettrici a trazione diretta nell'edificio Oliver, Pittsburgh", Electric Journal, (giugno 1911).

^[3] Henry W. Ravenshaw, "Electric Elevators VI: Elektron Electric Elevators" The Electrical World (8 maggio 1897).

^[4] Henry W. Ravenshaw, "Ascensori elettrici VII: Ascensori elettrici Otis" Il mondo elettrico (22 maggio 1897).

^[5] Ascensori, International Textbook Company, New York (1902).

^[6] William Baxter, Jr., "Ascensori elettrici", Potenza (11 gennaio 1910).

^[7] William Baxter, Jr., "L'ascensore elettrico: sistema Elektron con controllo meccanico", Power (5 luglio 1910).