In che modo i mezzi di sospensione influiscono sul design conveniente e sull'efficienza dello spazio

Questo componente è uno dei principali driver per l'innovazione di un pacchetto completo di ascensori.

Prima dell'avvento dei moderni ascensori, le funi di sollevamento erano realizzate in fibre naturali e utilizzate per sollevare materiali, soprattutto nelle aree minerarie. Tali ambienti erano molto aspri e aggressivi nei confronti delle fibre, provocandone il rapido marciume, dando luogo a rotture improvvise senza preavviso. Per questo motivo uno dei fattori chiave per i mezzi di sospensione è sempre stata l'affidabilità. La prima fune metallica fu inventata intorno al 1834 da Wilhelm Albert, un ingegnere minerario tedesco. Questi erano usati per estrarre nelle montagne Harz a Clausthal, in Germania. All'epoca, Albert era alla ricerca di un mezzo più affidabile con cui ispezionare periodicamente le funi e un tipo che durasse più a lungo delle tradizionali funi in fibra e delle catene di sollevamento delle miniere di ferro di quell'epoca, che si erano rivelate inaffidabili.

La prima fune metallica d'acciaio ritorta era composta da tre trefoli con quattro fili ciascuno, senza anima. Con questa specifica costruzione, tutti i fili erano visibili dall'esterno (Figura 1). Ciò cambierebbe la percezione delle funi di sollevamento da parte degli utenti.

Da allora, le funi metalliche ottennero una rapida accettazione grazie alla loro durata e superiorità rispetto alle funi in fibra e alle catene di ferro. Non si sono rotti all'improvviso, in quanto sarebbero presenti segni di usura se le ispezioni fossero eseguite di routine. Ciò ha permesso di programmare la sostituzione della fune di sollevamento prima del cedimento totale.

Dopo più di 180 anni, la situazione è ancora invariata: i mezzi di sospensione in acciaio, sotto forma di funi metalliche, sono ancora l'elemento principale di sospensione per gli ascensori di tutto il mondo, e il concetto di "previsione" della sostituzione dei mezzi di sospensione è valido ancora oggi.

Un altro elemento nella progettazione degli ascensori è l'uso efficiente dello spazio all'interno del vano ascensore, con la richiesta di avere macchine più piccole che forniscano una cabina più grande nelle stesse dimensioni del vano. Man mano che le pulegge di trazione si riducono, il motore diventa meno costoso e più leggero. Il costo del motore e, di conseguenza, il peso, sono direttamente proporzionali alla coppia generata. Quest'ultima esigenza è stata difficile da contrastare fino a quando non si sono resi disponibili tipi “alternativi” di supporti di sospensione che consentono di ridurre le dimensioni delle macchine.

La riduzione del rapporto di piegatura e la copertura dei mezzi di sospensione con un rivestimento di poliuretano (PU) ha comportato un altro problema: la definizione di criteri di scarto affidabili, oggettivi e riconoscibili.

L'obiettivo di questo articolo è quello di fornire una panoramica sugli argomenti di cui sopra senza entrare in un'analisi approfondita ma evidenziando i concetti principali attraverso i quali comprendere l'applicazione e l'effetto sul costo totale di proprietà per gli utenti finali.

Tipi di mezzi di sospensione

Prima di iniziare qualsiasi considerazione sulle diverse configurazioni degli ascensori, è bene chiarire quali mezzi di sospensione sono disponibili sul mercato. Oltre alle tradizionali funi metalliche, ci sono: funi di piccolo diametro, funi rivestite in PU e cinghie in acciaio rivestito (CSB) (Figura 2).

Ogni tipo di mezzo di sospensione ha i suoi pro e contro che qui vengono valutati in termini generali. Non ci sono regole rigide nella scelta di un mezzo di sospensione rispetto agli altri, ma è necessario trarre considerazioni in base all'applicazione dell'ascensore, alle condizioni ambientali e all'analisi del traffico, tutti elementi noti ai progettisti di ascensori. Successivamente, occorre prestare attenzione alle dimensioni del motore e all'efficienza dello spazio del vano di corsa. Ci sono alcune opzioni per affrontare le limitazioni di spazio risparmiando sul costo del motore (Figura 3):

Il modo più semplice per ridurre la coppia del motore è passare dalla sospensione 1:1 a quella 2:1. Ciò farà risparmiare sulle dimensioni del motore, ma allo stesso tempo creerà alcuni inconvenienti sulla complessità meccanica dell'ascensore completo (disposizione I in Figura 3). La seconda possibilità è quella di considerare mezzi di sospensione che consentono un rapporto di flessione ridotto, D:d < 40 (funi metalliche di piccolo diametro o funi rivestite in PU). In questo caso, la dimensione del motore potrebbe essere sensibilmente ridotta e l'efficienza dello spazio è piuttosto consistente. Tuttavia, le funi di piccolo diametro non sono attualmente incluse nella EN 81-20 e richiederebbero ai produttori di funi di piccolo diametro di eseguire una valutazione dei rischi e richiedere un certificato di dichiarazione da un organismo di certificazione riconosciuto. Tra i lati positivi, sono allo studio funi di piccolo diametro da includere in un futuro aggiornamento alla EN 81-20 (disposizione II in Figura 3). Una terza opzione sarebbe quella di valutare i CSB. In questo scenario, potrebbe essere utilizzata la puleggia di trazione più piccola, portando enormi risparmi sia sul costo del motore che sull'aumento dell'efficienza dello spazio. Lo svantaggio in questo caso è che questa soluzione è brevettata (disposizione III in figura 3).

Vale anche la pena valutare quanto potrebbe cambiare la dimensione della cabina all'interno delle stesse dimensioni del vano quando si opta per uno dei mezzi di sospensione alternativi (disposizioni II e III in Figura 3). In Figura 4, considerando che tutte le parti meccaniche sono allocate nella parte posteriore della cabina, è ben visibile il guadagno di spazio in cabina, con una riduzione del 30-40% della dimensione originale L.

Il presupposto sopra riportato potrebbe portare, in alcuni casi, alla possibilità di installare un ascensore per otto persone laddove in precedenza era possibile installare solo un ascensore per sei persone. Inoltre, in presenza di un blocco di ascensori in edifici residenziali, ciò potrebbe consentire di installare un ascensore in meno, pur garantendo la stessa capacità di gestione del traffico. L'andamento del traffico deve comunque essere valutato in modo da non aumentare troppo il tempo di attesa davanti alla porta di piano al piano terra. In alternativa, con lo stesso numero di ascensori e con l'aumento della capacità della cabina, la capacità di gestione del traffico potrebbe essere aumentata sensibilmente.

Tutte le considerazioni qui riportate valgono nel caso di edifici di bassa e media altezza. Quando si tratta di progetti di grattacieli o applicazioni pesanti, altri elementi devono essere considerati e non rientrano nell'ambito di questo articolo. A seconda della necessità del progetto specifico di altezza bassa o media, una considerazione o l'altra potrebbe portare a risparmi che non erano disponibili senza i mezzi di sospensione alternativi.

Definizione dei criteri di scarto

Lo sviluppo e il miglioramento dei mezzi di sospensione per ascensori sono sempre stati legati al concetto originale di ispezione visiva. Quando sono arrivate sul mercato le prime applicazioni per funi e cinghie di piccolo diametro, la preoccupazione principale era come rilevare in modo semplice e affidabile i criteri di scarto.

Per quanto riguarda le funi metalliche convenzionali, il criterio di scarto deve essere basato su ispezioni visive: controllo della riduzione del diametro, conteggio del numero di rotture del filo, identificazione dei punti con deformazioni, rilevamento della comparsa di sgrossatura, ecc. Questa regola di riferimento è trattata nell'allegato E della ISO 4344, dove elenca i criteri di scarto per le funi degli ascensori in servizio. La figura 5 è un'estrazione di questa regola dove riporta il numero di fili rotti che la fune deve avere per essere scartata.

Il numero di fili rotti è un criterio di scarto ma non l'unico. Potrebbero esserci casi in cui non ci sono fili rotti, ma la fune deve essere scartata: ad esempio, a causa di una riduzione del diametro superiore al 6% rispetto al nominale. Inoltre, le funi devono essere scartate quando c'è polvere rossa che sporge dai trefoli esterni, che è un chiaro segno di danno interno (affaticamento da sfregamento o corrosione).

È interessante notare l'ultima riga della tabella della ISO 4344, che riporta che un singolo filo spezzato nella valle tra un trefolo e l'altro è un criterio di scarto immediato. Questo criterio è molto importante che gli ispettori delle funi metalliche siano consapevoli, poiché tale prova è un chiaro segno che la fune sta perdendo la consistenza del nucleo e che i trefoli esterni sono fortemente schiacciati l'uno contro l'altro. Quando ciò accade, è necessario eseguire un'analisi approfondita e approfondita della fune.

Corde di piccolo diametro e CSM

Il primo compito è identificare la parte più sollecitata dei mezzi di sospensione in cui cercare le prove di scarto. Generalmente questa porzione si trova in prossimità della puleggia di trazione, quando la cabina si trova al piano più frequentato (tipicamente al piano terra).

Si consideri un sistema di traino in sospensione diretta (1:1) con puleggia di trazione e puleggia di rinvio (Figura 6). In questo caso, quando la cabina è ferma al piano terra, è presente una parte dei mezzi di sospensione, L, che passerà attraverso la puleggia motrice e la puleggia deviatrice non appena la cabina inizia la sua corsa verso l'alto. Considerando che, in un edificio residenziale, quasi l'80% dei viaggi inizia dal piano terra, vi è una forte evidenza che questa porzione del mezzo di sospensione sarà l'area più sollecitata in cui inizieranno a manifestarsi i criteri di scarto. Per questo motivo l'ispezione deve iniziare da questo punto per poi estendersi ad altre porzioni e ai punti in cui i mezzi di sospensione entrano nelle prese.

Nonostante la natura dell'elemento di sospensione, indipendentemente dal fatto che sia rivestito, questo principio resta valido e deve essere utilizzato in termini generali. Ovviamente, a seconda della disposizione di fune dello specifico elevatore, la porzione in questione sarà più corta o più lunga, in base al numero di pulegge su cui l'elemento verrà piegato più frequentemente.

L'ispezione visiva verrà prima eseguita in una porzione specifica in cui si potrebbero prima vedere e evidenziare deformazioni o abrasioni superficiali. Dopo l'ispezione visiva iniziale, sarà il momento di fare un'analisi più approfondita dei punti identificati per vedere se sono visibili fili rotti e se alcuni fili stanno perforando il rivestimento.

Devono essere seguite le istruzioni di cura e manutenzione fornite dal produttore dei mezzi di sospensione, precedute solo da quanto riportato nell'Allegato E della ISO 4344. In caso di dubbio, si dovrebbe chiedere il parere del produttore o di una persona competente.

Sospensione significa stima della vita residua

Per i mezzi di sospensione alternativi, sono stati sviluppati alcuni nuovi approcci: una definizione di durata finita, un sistema di monitoraggio con tecnologia non distruttiva o una combinazione dei due. Per definire l'approccio della definizione di vita finita, è importante creare una sperimentazione di laboratorio in cui viene affrontata una configurazione per la flessione semplice e inversa. La Figura 7 mostra una configurazione di esempio.

I mezzi di sospensione devono essere testati in combinazione con la puleggia di trazione prevista e la puleggia di deflessione, compresi i dettagli del diametro e la forma della scanalatura. La durata prevista in servizio è calcolata dalla durata ottenuta da ciascun elemento dell'accordo di riscossione utilizzando una formula combinata. Sulla base di questo calcolo, sull'ascensore deve essere installato un contatore di viaggi per monitorare la durata residua del sistema in funzione. L'installazione del contatore non deve essere una sostituzione diretta dei controlli visivi periodici per garantire che il sistema sia in condizioni operative adeguate. Fattori ambientali o altri motivi non previsti potrebbero portare al danneggiamento del mezzo di sospensione e al raggiungimento del punto di scarto.

Il secondo metodo per monitorare la vita residua consiste nell'utilizzare una metodologia non distruttiva come magneto-induttiva, a flusso di corrente, visiva con webcam o con altri mezzi. Ad esempio, esaminiamo il test magneto-induttivo.

La scelta di questo tipo di analisi non è perché è più adatta delle altre, ma perché è ampiamente utilizzata in campi simili come l'estrazione mineraria e le funivie. Il setup consiste in un magnete permanente che porta in saturazione il pezzo di corda in analisi. Ciò significa che la fune è immersa in linee di flusso magnetico orientate assialmente. Quando si verifica un'interruzione di una sezione, le linee di flusso magnetico vengono disperse radialmente e rilevate dalle bobine di rilevamento (Figura 8).

La metodologia magneto-induttiva è un esame di tipo evolutivo, nel senso che il segnale evolverà non appena la fune sarà soggetta a maggiore usura. I picchi diventano sempre più accentuati man mano che la fatica da sfregamento e l'abrasione interna continuano. Valutando i segnali, si potrebbero trarre alcune conclusioni sullo stato della fune metallica, e un esperto potrebbe giudicare la situazione. Ancora più importante, la parte di corda più sollecitata è, in questo caso, messa in evidenza abbastanza facilmente e dovrebbe essere effettuato un controllo visivo di questa sezione.

E' importante fare un'analisi al momento dell'installazione e poi ripetere l'analisi anno dopo anno per vedere il percorso evolutivo del diagramma. In alcuni casi, questo dispositivo potrebbe essere installato permanentemente sull'ascensore per monitorare la situazione in tempo reale e per inviare un avviso alla società di manutenzione quando è necessario un sopralluogo approfondito. Questo ci porta alla questione della manutenzione predittiva che a questo punto potrebbe essere integrata con i mezzi di sospensione.

Utilizzo di mezzi di sospensione per eseguire attività di manutenzione predittiva

Vedremo ora come trarre vantaggio dai sensori installati attorno ai mezzi di sospensione per ottenere informazioni per affrontare la manutenzione predittiva sul campo. Questo sarà presto realizzato nel settore. Un set base di sensori potrebbe eventualmente essere composto come segue:

• Un accelerometro triassiale: installato in cabina, rileverà tutte le vibrazioni legate alla corsa dell'ascensore.
• Un dispositivo pesacarico: questo sensore rileverà il carico in cabina e potrà anche valutare la variazione verticale durante la corsa causata da rimbalzi o attriti di guida.
• Un dispositivo di controllo non distruttivo: installato vicino alla puleggia di trazione, tale dispositivo è in grado di monitorare in tempo reale l'evoluzione dell'usura dei mezzi di sospensione. Questo potrebbe essere basato su qualsiasi tecnologia (ad es. magneto-induttiva, impulso di corrente, webcam, ecc.).
• Un gateway: per trasmettere le informazioni raccolte a un cloud remoto dove uno specifico algoritmo analizzerà la situazione per trarre conclusioni sulla qualità della corsa ed eventuali anomalie

Il caso analizzato è quello in cui il sensore triassiale dell'acceleratore è installato sulla cabina e sta rilevando alcune vibrazioni provenienti dai mezzi di sospensione, anche se la causa principale potrebbe provenire da un'altra parte del sistema ascensore. Sulla base dell'analisi della frequenza e della misurazione del tempo sul segnale registrato, the source del problema può essere determinato. L'impresa di manutenzione può quindi programmare una visita al sito sapendo dove cercare, portando i giusti pezzi di ricambio per la sostituzione.

Lo sviluppo di un algoritmo che capisca la causa principale della vibrazione rilevata è un processo impegnativo, ma non impossibile se è stata effettuata la corretta sperimentazione.

Indossare mezzi di sospensione

I mezzi di sospensione sono soggetti a progressiva usura. Se l'analisi di frequenza messa in evidenza mostra che la vibrazione verticale è leggermente aumentata in un determinato periodo di tempo e poi subisce improvvisamente un picco in corrispondenza dell'aumento del livello di traffico, il primo compito da eseguire dovrebbe essere un controllo visivo dei mezzi di sospensione. I criteri di scarto visibili probabilmente non saranno presenti. Misurando il rimbalzo verticale nel tempo, possiamo capire che la corda è sottoposta a fatica da sfregamento prima che contribuisca al disagio della corsa.

Vibrazione causata dalla massa rotante

Uno scenario completamente diverso è se la frequenza della vibrazione è correlata all'ampiezza periodica che è in qualche modo correlata con la velocità di viaggio. In questo caso le pulegge sono gli elementi principali da indagare per capire se i fenomeni sono causati da cuscinetti a rulli o da qualche altra unicità della massa rotante.

Tensione uguale nei mezzi di sospensione

Un'altra possibile fonte di vibrazione potrebbe essere data dal fatto che l'insieme delle funi perde la stessa tensione. In questo caso la frequenza ha qualche parametro di causalità ma in corrispondenza di una determinata posizione della cabina nel vano.

Effetti dei parametri dell'inverter

Altre vibrazioni che influiscono sul comfort di marcia possono essere attribuite ai parametri dell'inverter nel pilotaggio del motore. In questo caso è evidente che le vibrazioni in cabina vengono amplificate in fase di accelerazione e/o decelerazione. Un altro elemento che potrebbe apportare qualche variazione qui è il livello di carico presente in cabina in tali condizioni.

Conclusioni sugli effetti dei mezzi di sospensione

Come descritto sopra, vedendo vibrare il supporto di sospensione, potremmo capire che non avremmo bisogno di focalizzare la nostra attenzione sul supporto di sospensione stesso. Analizzando lo spettro specifico della frequenza di vibrazione, possiamo ottenere una maggiore caratterizzazione dei fenomeni e ricercare la causa principale da altri elementi del sistema ascensore.

Conclusioni

Questo articolo avrebbe dovuto rendere evidente come i mezzi di sospensione possono contribuire alla progettazione complessiva di un sistema completo di ascensori e in che modo possono cooperare con un funzionamento sicuro e valutazioni predittive. Inoltre, in condizioni specifiche, la selezione dei giusti mezzi di sospensione per la giusta applicazione potrebbe influenzare il costo totale di proprietà e la gestione del traffico dell'edificio.

Un progettista intelligente inizierà la propria valutazione, prendendo in considerazione le opzioni che i mezzi di sospensione alternativi potrebbero apportare alle proprie configurazioni.

Questa analisi si è limitata a pochi aspetti senza entrare troppo nel dettaglio dei casi ingegneristici. C'è molto altro da analizzare e i mezzi di sospensione sono uno dei principali driver per l'innovazione di un pacchetto completo di ascensori.

Nicola Imbimbo è il Global Applications Manager per la Business Unit Elevator & Escalator di Prysmian Group. Ha iniziato la sua carriera nel settore del trasporto verticale (VT) come apprendista per l'azienda di famiglia, Imbimbo Ascensori, che all'epoca era un rivenditore di ascensori FIAM. Si è laureato in ingegneria meccanica presso il Politecnico di Torino nel 2001 con una tesi sperimentale dedicata al monitoraggio non distruttivo delle funi metalliche. Dopo la laurea, Imbimbo ha lavorato come ingegnere progettista presso un produttore internazionale di ascensori speciali. Prima di entrare a far parte del Gruppo Prysmian nel 2011, Imbimbo ha lavorato come tecnico applicativo presso alcune importanti aziende internazionali coinvolte nella produzione di funi metalliche per il sollevamento e il trasporto di persone. 

Imbimbo è un membro attivo di gruppi di lavoro internazionali per la standardizzazione tecnica del settore ascensoristico e ha pubblicato numerosi articoli e tenuto interventi in forum dedicati al VT. È coautore di alcuni libri dedicati alla progettazione e alla formazione tecnica degli ascensori e ha formato operatori, tecnici e ispettori in tutta Europa sui sistemi a fune progettati per il sollevamento e il trasporto di carichi e persone.

Nel tempo libero tiene corsi di formazione per il settore ascensoristico come consulente indipendente ed è attivo sulle piattaforme di social network dove pubblica contenuti legati al settore ascensori e scale mobili. Imbimbo è anche il creatore del personaggio "Nic The Elevator Guy®".