Metodologie per la progettazione e lo sviluppo di nuovi concetti nel trasporto verticale

La progettazione, i modelli e le metodologie delle scale mobili sono alcuni dei punti chiave di questo articolo.

di Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Jesús Félez Mindán e Carlos Labajo Tirado

Scale mobili e marciapiedi mobili sono sistemi multicorpo con un progetto di base risalente a oltre un secolo fa. La metodologia sviluppata consente di studiare e migliorare qualsiasi sottosistema di entrambi i sistemi. Inoltre, è possibile sviluppare e testare nuovi concetti senza la necessità e i costi di una costruzione reale. Il CITEF (Centro di Ricerca sulle Tecnologie Ferroviarie Spagnole) modella le scale mobili da oltre quattro anni. Sono stati sviluppati diversi modelli complessi e innovativi per caratterizzare il comportamento statico, cinematico e dinamico delle scale mobili. I numerosi elementi meccanici delle scale mobili complicano il compito di modellazione. Tuttavia, sono stati sviluppati metodologie e strumenti per automatizzarlo, risparmiando costi computazionali e di tempo. Le metodologie sviluppate sono state convalidate confrontando misurazioni reali e risultati simulati da un modello dinamico.

Introduzione

Il design moderno delle scale mobili deriva da invenzioni risalenti a più di 100 anni fa. Il primo brevetto fu concesso a Nathan Ames nel 1859 per una scala girevole a forma di triangolo equilatero (Figura 1).[3] I successivi brevetti di meccanismi di sollevamento convergevano rapidamente verso questo progetto. Inventori come GA Wheeler, JM Dodge e Charles Seeberger detengono diversi brevetti per scale mobili.[5] L'Esposizione Universale di Parigi del 1900 presentò quattro diversi tipi di scale mobili, tra cui quella di J. Reno (Figura 2).

Finora, la progettazione meccanica di base non era cambiata. Pertanto, le scale mobili sono diventate un prodotto di consumo. Brevetti recenti, tuttavia, indicano nuove linee da seguire, e accessibilità e sicurezza sono presenti in alcuni brevetti riguardanti la gonna mobile.[7] La ​​gonna mobile è stata progettata per evitare intrappolamenti tra parti fisse e mobili delle scale mobili. Altri brevetti cercano di ridurre al minimo la poligonizzazione della velocità nelle zone di ribaltamento e di transizione. I dispositivi anti-poligonizzazione aumentano il ciclo di vita dei componenti della catena e riducono i livelli di vibrazioni e rumore.

D'altro canto, la simulazione del comportamento delle scale mobili è un campo inesplorato. Solo pochi modelli sono reperibili nella bibliografia tecnica.[1-3 e 8] Il CITEF sta concentrando i propri sforzi sui modelli di simulazione al fine di ridurre i costi sperimentali e accelerare i processi di innovazione e miglioramento.

Progettazione di base della scala mobile

Le scale mobili sono costituite da una catena di gradini che si muovono in un anello per fornire un movimento continuo lungo un percorso specificato. I gradini sono collegati a due anelli continui di maglie di una catena a rulli (una per lato), comprendenti una pluralità di rulli che interagiscono con un meccanismo di trasmissione. I sistemi convenzionali sono azionati da ingranaggi. Quando le maglie della catena a rulli si muovono, i gradini si muovono come desiderato. Ogni gradino è collegato a due rulli su ciascuna parte laterale del gradino (rulli interni ed esterni). Solo i rulli esterni appartengono alla catena a rulli (Figura 4). Entrambi sono guidati da due guide diverse. La catena è tensionata nella zona inferiore tramite guide di scorrimento e due molle precaricate che lavorano in direzione orizzontale.

Il sistema di trasmissione a ingranaggi nella zona superiore è il sistema di trazione convenzionale, sebbene esistano alcuni brevetti su sistemi di trazione lineare che operano nelle zone giuste. I rulli esterni si innestano in due ruote dentate (Figura 5).

Modelli di simulazione delle scale mobili

I miglioramenti apportati alle scale mobili hanno dimostrato la loro validità solo sperimentalmente. Ciò presuppone un elevato dispendio di risorse e tempo, causando così un collo di bottiglia per la loro evoluzione. Per accelerare questo processo, sono stati sviluppati modelli statici, cinematici e dinamici. Tutti i modelli fanno parte di una metodologia completa, parzialmente descritta in articoli precedenti.[3]

Modelli statici

Alcuni modelli sono stati programmati nel software Matrix Laboratory (MATLAB) per ottenere un'idea di dove si trovino i valori massimi di forza e di come si distribuiscano lungo il tempo e la guida. Inoltre, questi modelli forniscono output cinematici. Ad esempio, l'influenza del passo delle maglie della catena è stata studiata per tre diverse lunghezze: 0.405 mm, 0.225 mm e 0.165 mm (Figura 6). La forza di reazione della guida a rulli e le forze longitudinali delle maglie della catena sono rappresentate per il turnover inferiore. I risultati mostrano che al diminuire del passo delle maglie della catena, la forza longitudinale delle maglie tende a rimanere costante e il valore della forza di reazione diminuisce.

Questo programma può simulare qualsiasi geometria; pertanto, è possibile introdurre un ribaltamento parametrico o guide complete per ottenere progetti robusti. È stato studiato un ribaltamento, definito come due zone circolari unite da una retta tangente, variando due raggi e l'angolo tra la retta e la zona orizzontale (Figura 7).

Per trarre alcune conclusioni su questo disegno sono stati utilizzati il ​​disegno fattoriale e trattamenti statistici. Sono state utilizzate tecniche di clustering e regressione lineare multivariata. La Figura 8 mostra alcune geometrie di turnover e i relativi output.

Modelli cinematici

La maggior parte dei modelli cinematici è stata simulata anche in modelli statici e dinamici. Questi modelli sono stati utilizzati come filtro di fattibilità per nuovi progetti. L'analisi delle interferenze è una fase importante e fondamentale nello sviluppo di nuovi concetti. Il CITEF ha sviluppato modelli con due obiettivi principali:

• Analisi dei progetti esistenti
• Sviluppo di nuovi concetti nelle scale mobili

Questi modelli sono stati progettati e simulati con il software CATIA. Il comportamento cinematico richiede solo modelli semplificati. La Figura 9 mostra un modello di una scala mobile convenzionale rappresentata con tre gradini, due guide, rulli e maglie della catena. Questo tipo di modello consente agli utenti di ottenere tutti i principali output cinematici della scala mobile:

• Passo/rullo, lineare/angolare, velocità/accelerazione
• Analisi delle interferenze tra tutte le parti degli elementi meccanici
• Per motivi di progettazione e sicurezza, è necessario tenere conto della distanza minima tra due gradini adiacenti (Figura 10). La norma UNE EN-115 stabilisce limiti per alcune fessure al fine di evitare intrappolamenti. Inoltre, tali distanze devono essere superiori alla tolleranza di progettazione, tenendo conto delle deformazioni future dovute al normale funzionamento.
• Le proprietà di inerzia possono essere ottenute come input di modelli dinamici: massa, baricentro e momenti di inerzia

Questi output sono utili per testare diversi sistemi di trazione utilizzando leggi di movimento, progettare forme di guida o studiare l'influenza del passo delle maglie della catena. In questo modo, CITEF ha implementato e simulato alcune curve prive di impulsi programmate in MATLAB e inserite in CATIA utilizzando l'ambiente di programmazione Visual Basic (Figura 11). È stato implementato un tappeto mobile con curve guida sia circolari che prive di impulsi. Questi modelli presentano una catena a rulli aperta con una legge che simula un sistema di trazione lineare, garantendo una velocità lineare costante nelle zone rettilinee. L'allungamento delle maglie della catena viene studiato misurando la distanza minima tra i rulli 9 e 10 (Figura 12). Le guide circolari raggiungono un allungamento di oltre 50 mm, mentre le curve prive di impulsi non presentano alcun allungamento corrispondente al passo delle maglie della catena nel tempo.

modelli dinamici

Per realizzare i modelli dinamici, viene utilizzato un software di analisi multibody generico. In questo caso, il software selezionato è stato SIMPACK. Uno dei motivi per cui è stato utilizzato SIMPACK è il suo specifico modulo di modellazione a catena. Inoltre, il CITEF ha esperienza nell'uso di questo software per simulare qualsiasi sistema multibody, sebbene sia specializzato nella simulazione dinamica ferroviaria. Una volta stabiliti gli output statici e cinematici, i risultati dinamici forniranno informazioni sull'importanza della componente dinamica in ciascun modello.

Il modulo catena SIMPACK consente agli utenti di creare una catena definendo queste parti principali:

• Passo della maglia della catena
• Numero di maglie della catena
• Precarico della catena
• Tipo di catena
• Geometria e proprietà di inerzia delle maglie della catena (interne ed esterne)
• Ruote dentate (principali o condotte)
• Guide tensoriali
• Sequenza da seguire e senso di rotazione (è possibile creare punti medi della catena con le definizioni di queste parti. SIMPACK raggruppa tutti gli elementi nella posizione iniziale.)

Il CITEF ha sviluppato alcuni modelli completamente dinamici basati su sistemi di trazione lineare. Questi sono stati modellati a partire dal software base SIMPACK. Per ridurre al minimo i tempi e i costi di modellazione, sono stati implementati alcuni strumenti.[3] Questi strumenti di automazione sono orientati a:

• Attività di pre-processore (alcuni programmi MATLAB sono stati sviluppati per automatizzare alcuni problemi di modellazione creando codici leggibili SIMPACK per alcune geometrie, proprietà ripetitive ed entità.)
• Trattamenti di output (A causa della bassa velocità delle scale mobili [0.5-0.75 mps], gli output ciclici possono essere ricostruiti dalla simulazione del tempo corrispondente al passo di un collegamento a catena. Inoltre, vengono utilizzati alcuni modelli e metodologie per analizzare e compattare i principali risultati dinamici.)

Caratterizzazione dinamica

Il CITEF ha identificato i principali output dinamici di una scala mobile (Figura 17). Questi modelli sono stati definiti con parametri al fine di automatizzare alcune analisi che richiedono variazioni dei parametri. Pertanto, l'analisi di sensibilità e la progettazione robusta possono essere utilizzate per determinare il comportamento dinamico di un modello specifico e come migliorarlo.

Seguendo queste linee, la deviazione standard della velocità è stata studiata statisticamente al variare dei parametri della stazione di tensionamento: rigidezza, smorzamento e precarico. Il carico casuale è stato introdotto in SIMPACK mediante programmi MATLAB. Sono stati utilizzati criteri robusti per selezionare i parametri ottimali del tensionatore (Figura 18).

Sistemi di trazione lineare

Come descritto in questo articolo, i sistemi di trazione convenzionali sono costituiti principalmente da una ruota dentata posizionata nel punto di rotazione più elevato. Questo tipo di sistema di trazione produce effetti di poligonizzazione indesiderati per ragioni geometriche. Le equazioni seguenti mostrano che la velocità lineare del rullo dopo la zona di inversione non è costante a velocità angolare costante. Dipende da:

• La posizione relativa con il rullo precedente
• Diametro della zona di inversione
• Passo della maglia della catena

Pertanto, la velocità lineare di un rullo è rappresentata come V2' nell'equazione e nella Figura 20, dove è possibile apprezzare la variazione di V2'.

Il vantaggio principale di questo sistema di trazione è che è posizionato dove la forza longitudinale delle maglie della catena raggiunge il suo massimo. Pertanto, se si utilizza un precarico appropriato, la catena non raggiunge mai uno stato di compressione. Questa considerazione dovrebbe essere presa in considerazione per altri tipi di posizionamento del sistema di trazione, poiché, a seconda del precarico del tenditore e dello stato del carico, è possibile stabilire lo stato di compressione. Un modello dinamico di una catena a rulli azionata con un sistema di trazione lineare è stato modellato utilizzando un sistema di controllo proporzionale per una lunghezza pari a tre passi di maglie della catena. Il centro di questo sistema è stato simulato a due diverse altezze all'interno della zona inclinata più alta (Figura 21).

Questo modello di catena a rulli, implementato in SIMPACK, presenta le seguenti caratteristiche principali:

• Numero di maglie della catena: 60
• Altezza della scala mobile: 4.5 m
• Maglie della catena: una per passaggio
• Costante proporzionale del sistema di controllo, Kp: 106
• Velocità nominale: 0.5 mps
• Carico (Il programma simula il modo in cui una scala mobile vuota si riempie fino a quando non è completamente carica. Una volta completamente carica, viene simulato un altro ciclo)
• Periodo del ciclo: 49 s.
• Carico/rullo: 980 N (una persona per gradino da 100 kg)
• Precarico tenditore: 1,500 N

La Figura 22 mostra l'andamento della forza longitudinale esercitata sulle maglie della catena lungo più di due cicli per due diverse altezze di posizionamento del sistema di trazione lineare. In condizioni di carico ridotto, la maglia della catena non è mai sottoposta a forze di compressione; tuttavia, con la catena a pieno carico, si forma una zona a valle del sistema di trazione in cui le maglie della catena vengono compresse.

Esistono già alcune scale mobili che funzionano con sistemi di trazione lineare basati principalmente su sistemi di pignoni a rulli che si innestano sul collegamento della catena.[9] Lo stato di compressione è facile da evitare aumentando il precarico nelle molle di trazione.

Guide senza pulsazioni

La trazione lineare è un'interessante linea di ricerca se si implementano curve prive di pulsazioni sulle geometrie delle guide. Il CITEF ha implementato queste geometrie nelle guide seguite dalle catene a rulli e ne ha riscontrato i vantaggi dinamici. Le Figure 24 e 25 mostrano l'output dinamico per la velocità lineare assoluta di un rullo lungo guide circolari e prive di pulsazioni.

Entrambe le catene a rulli sono state azionate con un sistema di trazione lineare; pertanto, i valori per la zona inclinata più alta sono sostanzialmente costanti, intorno a 0.5 mps. La deviazione di velocità si manifesta lungo la zona inclinata più bassa, dove la sua ampiezza aumenta, raggiungendo i massimi in corrispondenza delle inversioni. Le guide circolari hanno un importante effetto di poligonizzazione di questa variabile. Questa deviazione si riduce drasticamente quando si utilizzano curve prive di impulsi. Due sono le principali fonti che spiegano la deviazione di velocità di questo modello: la geometria delle curve (Equazione 1) e lo spostamento orizzontale della stazione tenditrice.

Come nelle guide circolari, entrambi gli effetti sono presenti. Le guide senza impulsi eliminano il primo, limitando le conseguenze negative:

• Incremento del ciclo di vita della catena a rulli: incremento dell'ampiezza della sollecitazione dei collegamenti della catena (Figure 26 e 27) e della forza di reazione della guida a rulli
• Riduzione dei livelli di rumore e vibrazioni
• Aumento del livello di comfort dei passeggeri
• Diminuzione della probabilità di intrappolamento (la distanza tra i passaggi aumenta a causa dell'allungamento dei collegamenti della catena).
• Riduzione dei costi di manutenzione

Convalida del modello

Un modello completamente dinamico di una scala mobile è stato testato e validato con misure sperimentali di un prototipo reale. Il CITEF ha sviluppato alcune metodologie e strumenti per il windowing e il confronto di segnali sperimentali e simulati nel dominio del tempo e della frequenza. Sono state riscontrate elevate correlazioni qualitative e quantitative tra i modelli, raggiungendo elevati coefficienti di correlazione per entrambi, soprattutto in frequenza, dove i coefficienti di coerenza e correlazione raggiungono valori superiori al 95%. Le Figure 28-30 mostrano alcuni dei principali output di un caso di carico, velocità e precarico misurati.

Conclusioni

La metodologia di modellazione presentata rappresenta un metodo affidabile e pratico per studiare e prevedere il comportamento delle scale mobili. I risultati dinamici ottenuti dai modelli SIMPACK sono stati validati con misure sperimentali; pertanto, i risultati simulati possono essere utilizzati per caratterizzare la dinamica delle scale mobili. Attraverso questa metodologia, è possibile identificare il comportamento dinamico principale di una scala mobile e analizzare la sensibilità di ciascun parametro utilizzato nei modelli dinamici. La parametrizzazione di questi tipi di modelli è essenziale per consentire rapidi cambiamenti e ulteriori analisi.

In questi modelli sono consentite modifiche sostanziali della configurazione, come la lunghezza e la posizione del sistema di trazione, le forme delle guide, i parametri di contatto e tensore, le proprietà di inerzia di qualsiasi geometria, ecc. Queste modifiche possono essere orientate per ottenere:

• Principali risultati dinamici: accelerazione, forze, velocità, forze di contatto, ecc.
• Analisi delle forme modali (modelli di movimento in cui tutte le parti del sistema si muovono sinusoidalmente con la stessa frequenza e una relazione di fase fissa)
• Analisi parametrica per ottimizzare gli output
• Studio delle irregolarità della guida o del rullo
• Test accelerati per studiare il ciclo di vita dei componenti
• Guasti alla sincronizzazione del sistema di trazione
• Influenza della forma della guida nelle uscite di accelerazione
• Parametri di comfort, come i livelli di accelerazione dei passeggeri
• Analisi delle vibrazioni e del rumore

Queste possibilità consentono di studiare e migliorare la snellezza di qualsiasi progetto di scala mobile, essenziale per lo sviluppo di nuovi concept. Il CITEF ha modellato diversi modelli dinamici di scale mobili e marciapiedi mobili e ha sviluppato alcuni strumenti per ridurre drasticamente i costi di modellazione e integrazione. Questi strumenti sono stati testati e validati rispetto a misurazioni reali. Pertanto, consentono di aumentare il numero di nuovi progetti che potrebbero essere studiati dinamicamente con modelli di simulazione in un confronto sperimentale (costruendo e misurando i risultati in prototipi reali). I modelli di simulazione dinamica consentono di risparmiare tempo e costi e accelerano il processo di innovazione.

Referenze
[1] José María Cabanellas Becerra, Juan David Cano Moreno, Berta Suárez, José Antonio Cover e Jesús Félez, "Metodi per migliorare le scale mobili", Tecnologia degli ascensori 17: Atti di ELEVCON 2008, p. 22-33, 2008.
[2] José María Cabanellas Becerra, Juan David Cano Moreno, Berta Suárez, José Antonio Cover e Jesús Félez, "Modelli dinamici avanzati per la simulazione di scale mobili", ELEVATOR WORLD, p. 136-141, 2008.
[3] Nathan Ames, “Scale girevoli”, 28076, 1859.
[4] Charles D. Seeberger, “Aufzug mit Endloser, Spiralförmiger Transportbahn”, AT2031B, 1900.
[5] GR Strakosch, Trasporto verticale: ascensori e scale mobili.: John Wiley & Sons, 1983.
[6] YS Kwon, “Analisi dinamica passo dopo passo”, Ingegneria meccanica-CIME, 1998.
[7] Miguel Angel Gonzalez Alemany, Abdón Muñiz Camblor, José María Cabanellas Becerra e Juan David Cano-Moreno, "Escalera mecánica. Brevetto n. P200802887", P200802887, 2008.
[8] Joerg Ostermeier, Helmut Meyer e Andreas Stuffel, US 2002/017905 A1, 2002.
[9] “Miglioramenti e relativi agli apparati di trasporto a catena”, 3941/18, 1918.
[10] Juan David Cano-Moreno, José María Cabanellas Becerra, Carlos Labajo Tirado e Jesús Félez Mindán, "Metodologia per la modellazione flessibile di sistemi multicorpo di scale mobili", Conferenza sulla simulazione industriale, Loughborough (Regno Unito), 2009.