Cavo metallico SDR di Orona

Applicazioni, certificazioni e prestazioni di funi di piccolo diametro (SDR) non convenzionali

del Dr. Mikel A. Urchegui, Iñaki Aranburu, Lars Gustavsson e André van den Burg

La fune di piccolo diametro (SDR) non convenzionale di Orona consente l'uso di piccole macchine gearless e lo sviluppo di soluzioni compatte senza locale macchina (MRL). Questo articolo include una panoramica del processo di certificazione, concentrandosi sui test più interessanti e rilevanti effettuati, nonché una sintesi della storia dell'SDR.

Innovativi mezzi di sospensione

Dalla metà degli anni '1990, c'è stata una richiesta di soluzioni gearless MRL convenienti. Le macchine gearless sono considerate la scelta più adatta per gli ascensori elettrici a trazione e, sebbene fossero ben note molti anni fa, rimanevano ancora troppo grandi e costose per le applicazioni convenzionali in cui le soluzioni con ingranaggi erano convenienti. Di conseguenza, le macchine gearless sono state principalmente limitate ad applicazioni a molti piani/traffico, dove i costi iniziali sono stati superati da risparmi in condizioni operative più efficienti. Sebbene le dimensioni e la riduzione dei costi per le macchine gearless fossero state richieste costantemente, il concetto MRL e la sua attenzione per gli edifici più convenzionali hanno messo ulteriore pressione sul loro sviluppo. Due innovazioni guidate dalla tecnologia hanno contribuito a raggiungere questo obiettivo: macchine gearless a magneti permanenti (PM) e mezzi di sospensione innovativi.

In primo luogo, le macchine PM consentono una soluzione gearless più compatta e controllata e hanno portato alla diversità delle applicazioni a trasmissione diretta sul mercato. Negli ultimi decenni, invece, sono stati indagati mezzi di sospensione specifici e non convenzionali. Anche questi si concentravano principalmente sulle esigenze estreme dei grattacieli / edifici ad alto traffico ed erano comunemente basati su materiali sintetici complessi e costosi come le fibre aramidiche. Era necessario un mezzo di sospensione più flessibile per ridurre i diametri delle pulegge di trazione e portare le macchine PM alle dimensioni e ai costi adatti per le applicazioni gearless MRL competitive.

Grazie alla loro flessibilità di piegatura, le funi metalliche di piccolo diametro sono una potenziale soluzione. Tuttavia, per ottenere il carico di rottura richiesto, è necessario utilizzare fili sottili ad alta resistenza, risultando in superfici molto dure sensibili all'usura e all'abrasione. Di conseguenza, le funi completamente metalliche e di diametro ridotto si guastano molto prima e consumano le pulegge di trazione e/o le pulegge di rinvio più rapidamente. Inoltre, a seconda dell'angolo di avvolgimento e dei materiali della puleggia o della scanalatura, può verificarsi più facilmente una mancanza di trazione.

Attualmente, le cinghie sono una buona soluzione bilanciata, perché diversi fili ad alta resistenza sono attorcigliati per formare trefoli incorporati in una base piatta in poliuretano. Mantenendo la loro capacità di carico, sono in grado di offrire una notevole trazione e flessibilità alla flessione, garantendo una vita lunga e affidabile (Figura 1).

Tuttavia, Orona ha adottato l'approccio di utilizzare una fune metallica di diametro ridotto rivestita in una guaina polimerica per evitare il contatto e l'usura dei fili esterni e delle pulegge, garantendo al contempo una buona capacità di trazione grazie ai materiali ad alto attrito (Figura 2). L'azienda ritiene che la tecnologia delle funi metalliche rivestite le dia una competitività differenziata che beneficia della ricerca accumulata dal 2000. Orona percepisce che i suoi risultati includono il caricamento ottimizzato della fune stretta, la flessibilità della configurazione dell'albero, le prestazioni complessive della fune metallica più sicure e metodi di ispezione convenzionali.

Una deviazione dallo standard EN 81,[2] tuttavia, è una barriera per tutte le alternative non tradizionali dei mezzi di sospensione (Figura 3), che richiedono una procedura di test intensiva per essere certificati. Nella maggior parte dei casi, le cinghie o le funi, i diametri delle pulegge o delle pulegge e la resistenza del filo non rientrano nell'ambito di applicazione della EN 81, poiché secondo la Direttiva europea sugli ascensori, la norma armonizzata EN 81 fornisce solo una presunzione di conformità. Tuttavia, un tale sistema può essere commercializzato dopo un'analisi dei rischi e una procedura di test dell'organismo notificato (NB) esterno. Gli NB devono certificare che ogni requisito essenziale di salute e sicurezza nella Direttiva Ascensori è stato considerato e che i nuovi mezzi di sospensione offrono un livello di sicurezza almeno equivalente a quello conforme alla EN 81. Tutto ciò si traduce in un esame CE del tipo per ascensori di un ascensore “modello” (certificazione generale del tipo di ascensore) e/o una sospensione significa certificazione in alcune condizioni operative dell'ascensore (esame CE di progettazione della fune).

L'SDR

Una soluzione per azionamenti gearless PM compatti certificati da un NB esterno, rispetto alle funi convenzionali, l'SDR si basa su un concetto con fili più sottili e più resistenti con trefoli più piccoli; fune di diametro ridotto; e un rivestimento polimerico per garantire la trazione ed evitare l'abrasione dei fili esterni senza necessità di rilubrificazione. La parte metallica della fune ha un diametro inferiore a 5 mm e utilizza fili di acciaio con un carico di rottura superiore a 2,800 N/mm2. La fune metallica rivestita completa ha un diametro di 6.5 mm e un carico di rottura minimo di circa il 60% superiore a quello di una fune convenzionale dello stesso diametro. Un rivestimento polimerico ad alto coefficiente di attrito consente l'utilizzo di scanalature semicircolari, con conseguente bassa pressione di contatto tra fune e puleggia, riducendo così l'usura/abrasione dei fili interni. La ridotta pressione e l'assenza del contatto metallo-metallo esterno porta a un miglior comfort nella cabina dell'ascensore, con minore rumorosità e vibrazioni ridotte. La produzione della fune SDR segue un tradizionale processo di avvolgimento della fune, dove un rivestimento nell'ultima fase di produzione garantisce la corretta adesione alla fune metallica interna.

Test e certificazione della fune SDR

La nuova sospensione significa sviluppo necessario per affrontare e risolvere i nuovi problemi tecnologici dell'industria degli ascensori e lunghi periodi di test per garantire la sicurezza in qualsiasi condizione. Per questo motivo, Orona ha deciso di affidarsi all'esperienza e al riconoscimento internazionale di Liftinstituut per la certificazione degli ascensori. Sotto la supervisione di Liftinstituut, l'analisi dei rischi è stata completata in conformità con ISO 14121-1 e ISO 14798. L'obiettivo principale era la durata a fatica a flessione e la capacità di trazione, ma anche i problemi di rumore e vibrazioni sono stati considerati critici. Inoltre, sono stati progettati diversi test per verificare le prestazioni dell'SDR in condizioni estreme e poco frequenti come il fuoco; sole e radiazioni ultraviolette; vento; alta umidità; atmosfere salmastre, arrugginite o sabbiose; contatto olio; basse temperature; e vandalismo.

Dal 2000 Orona ha sostenuto diverse tesi di laurea magistrale e tesi di dottorato sull'argomento. I risultati principali di questi studi sono pubblicati come articoli su riviste o conferenze.[3-5] Liftinstituut ha monitorato l'ampio numero di test di laboratorio e in scala reale effettuati presso le strutture di prova di laboratorio, le torri di prova e gli ascensori reali di Orona. Tra tutte le prove realizzate, di seguito vengono descritte le più interessanti e rilevanti.

Prestazioni a fatica

Le eccezionali prestazioni a fatica della fune Orona SDR si basano sulla maggiore flessibilità alla flessione del suo nucleo metallico di diametro ridotto. I fili interni si comportano come nelle funi convenzionali, mentre i trefoli esterni, a contatto con la guaina di plastica, saranno esposti a una pressione di contatto ridotta e distribuita in modo più uniforme. Inoltre, grazie alla guaina polimerica, quei fili esterni non subiranno alcuna abrasione sulla puleggia di trazione o sulle scanalature della puleggia di rinvio. Una piccola quantità di lubrificante interno speciale riduce l'usura interna e il degrado dei fili con anima più piccola a contatto con i trefoli esterni.

Tuttavia, i fili sottili possono collassare a causa del contatto con i fili adiacenti, disallineamenti di funi e pulegge, forti urti, sovraccarichi, tensioni della fune squilibrate, torsioni della fune e altre condizioni indesiderate. Le rotture del filo sono comunemente concentrate all'interno dell'area di contatto tra i fili dello strato esterno dei trefoli esterni e i fili del nucleo. In questo caso, i fili rotti finiranno per perforare la guaina polimerica. Anche questo è un fenomeno ben documentato, con criteri di scarto basati su metodi di ispezione convenzionali e applicando un fattore di sicurezza molto più rigoroso di quello previsto dagli standard attuali. Tuttavia, la costruzione convenzionale della fune, e, quindi, la costruzione SDR, previene intrinsecamente il collasso complessivo della fune poiché le aree danneggiate sovrasollecitate vengono normalizzate (in distribuzioni uniformi delle sollecitazioni) a poche lunghezze di posa dall'area danneggiata.[6] Questo e le funi multiple sono ulteriori ragioni per le prestazioni più sicure dell'SDR.

Le prestazioni a fatica dei mezzi di sospensione SDR sono state verificate utilizzando diversi dispositivi di flessione accelerata. Uno (Figura 4a) si basa sul banco di prova a fatica per flessione su puleggia (BoS) definito dal Dr. Klaus Feyrer.[7] In questo test, la fune sopporta uno sforzo di trazione costante ed è piegata su una puleggia di rinvio. Per test approfonditi, l'SDR ha dovuto resistere a più di 4 X 106 cicli di flessione su pulegge di diametro inferiore a 160 mm ed è stato sottoposto a una forza di trazione con un fattore di sicurezza di circa 8.

Altri banchi prova hanno riprodotto le esatte condizioni di lavoro della fune in un ascensore reale (Figura 4b): la fune passa sopra una puleggia motrice e due pulegge di rinvio che simulano quelle presenti sul lato cabina o contrappeso, la fune viaggia con la stessa velocità di un vero sollevamento e viene simulato il rapporto T1/T2. La soluzione SDR supporta più di 2 X 106 avvii di inversione della macchina con un fattore di sicurezza di circa 12 e T1/T2 ≈ 1.6. Alla fine, la fune è stata azionata ripetutamente attraverso più di 6 X 106 cicli di flessione.

Capacità di trazione

Il contatto della guaina polimerica sulle tradizionali pulegge scanalate in ghisa ha mostrato un'elevata capacità di trazione nelle condizioni più estreme. Si ottiene una forte e intima adesione tra il polimero e la superficie esterna della parte metallica della fune per evitare il distacco della guaina in condizioni di forte attrito o scivolamento. La durata dell'attrito della guaina polimerica è molto maggiore della durata della fune. Anche quando si verifica uno slittamento durante la salita dell'auto quando il contrappeso poggia sul respingente, non si verifica alcuna usura significativa o bruciatura della guaina.

L'SDR ha soddisfatto tutte le condizioni descritte nella clausola 9.3 della EN 81-1. Queste condizioni sono state verificate anche negli ascensori reali, poiché le considerazioni progettuali fornite nell'allegato M non sono applicabili all'SDR. Ulteriori prove sono state eseguite per controllare il coefficiente di attrito della fune SDR che scorre su una scanalatura semicircolare e accertare lo slittamento relativo della puleggia di trazione rispetto all'SDR per diversi valori di rapporto T1/T2.

Rumore e vibrazione

Sono stati inoltre effettuati altri test e calcoli per migliorare il comfort negli ascensori. Per questo motivo la frequenza propria dell'SDR viene calcolata insieme a quelle corrispondenti agli altri componenti del sistema di sospensione (macchina, puleggia di trazione e pulegge di rinvio) per tutte le condizioni di lavoro nei diversi impianti. Questi calcoli vengono confrontati con misurazioni effettuate in ascensori reali (Figura 5).

L'ampia analisi dei rischi e il successivo programma di test complessivi hanno portato Liftinstituut a certificare Orona per l'utilizzo del proprio sistema di sospensione mediante un esame di tipo CE per quattro nuovi modelli di ascensori, con portata di 320-1600 kg e velocità di 1-1.6 mps, come segue : NL 10-400-1002-035-20, NL 09-400-1002-035-21, NL 06-400-1002-032-14 e NL 04-400-1002-035-09. Inoltre, la stessa fune SDR è stata certificata mediante un Certificato di Esame di Progettazione CE (A11/99CL0067 rilasciato da AENOR) per la sostituzione, l'ammodernamento o la ristrutturazione di ascensori. Questi certificati sono validi per gli ascensori MRL, nonché per le applicazioni aeree tradizionali.

Prestazioni SDR in applicazioni reali

La fune SDR è stata concepita e prodotta originariamente più di un decennio fa, ma immessa sul mercato solo nel 2003 dopo i test più accurati per garantire prestazioni ottimali della fune. Da allora, la fune è stata migliorata e testata intensamente per diverse decine di migliaia di ore in laboratori e ascensori reali. Più di 5,000 km di fune CTP® sono stati prodotti da Brugg Lifting, che è anche produttore della cintura Otis. Inoltre, poiché il prodotto è stato installato in più di 20,000 ascensori in tutto il mondo, è stato osservato nel tempo in varie località.

Il processo di deterioramento degli SDR è diverso dalle corde convenzionali. Il degrado si produce principalmente per contatto tra fili adiacenti (di due trefoli esterni adiacenti e/o tra trefolo esterno e anima) e, di conseguenza, il deterioramento non è visibile, se non per colorazione progressiva della fune (dal rosso al marrone al nero ), che non dovrebbe mai essere preso in considerazione al momento di decidere in merito alla sostituzione. La colorazione è solo dovuta all'usura causata dal fretting (spostamento relativo e attrito ripetuti di coppie di fili a contatto) che, dopo alcune migliaia di cicli, produce una polvere da degrado superficiale del filo che, a differenza delle funi convenzionali, viene trattenuta dal guaina di corda. Per questi motivi è stata prevista una versione migliorata dell'SDR con guaina grigia non trasparente.

I test certificati Liftinstituut hanno dimostrato che, anche in condizioni di carico estreme, l'SDR resiste sempre a un livello minimo di viaggi in retromarcia senza alcuna riduzione della resistenza. Pertanto, è stato concordato un semplice criterio di scarto, che fa parte dei certificati, che consiste nel numero massimo di cicli o viaggi di ritorno. Di conseguenza, questo metodo di valutazione si basa sull'uso, in cui il controller dell'ascensore emette un avviso quando il limite definito si sta avvicinando e alla fine arresta l'ascensore se l'avviso viene trascurato. Il limite di utilizzo definito conferisce all'SDR un'aspettativa di vita equivalente o superiore alle funi convenzionali.

Come per le corde convenzionali, tradurre il numero di viaggi in tempo (in anni) non è semplice. Il risultato dipende da volume di traffico, configurazione dell'ascensore, numero di piani serviti, altezza media di percorrenza, dimensione della cabina, tempo medio di funzionamento, ecc. In ogni caso, tutte le informazioni relative ai criteri di scarto sono raccolte in dettaglio nelle istruzioni sulla manutenzione dell'ascensore fornito con ogni ascensore che utilizza i sistemi Orona SDR. Le istruzioni indicano inoltre che l'SDR deve essere regolarmente ispezionato per prevenire situazioni come sovraccarichi, forti urti, tensione sbilanciata della fune, disallineamenti di funi e pulegge, torsioni della fune, rotture di fili o danni alla copertura. I ricambi SDR sono forniti dal regolare servizio ricambi Orona sotto l'identificazione dell'ordine di sollevamento.

Vantaggi

I principali vantaggi dell'SDR sono la sicurezza, l'affidabilità, il comfort di marcia, il rumore, la precisione di arresto e la protezione dell'ambiente. Rispetto alle funi convenzionali, un ulteriore vantaggio è la capacità di ridurre gli azionamenti diretti PM alle dimensioni e ai costi adatti per soluzioni gearless MRL competitive nella maggior parte delle applicazioni, riducendo i costi operativi e le emissioni di CO2. Questa combinazione può portare a meno restrizioni e più spazio disponibile. Le funi più leggere aiutano a un montaggio più rapido, evitano mezzi di compensazione del peso della fune e riducono il consumo di energia riducendo le inerzie complessive del sistema.

Gli SDR rivestiti evitano il contatto metallo/metallo, risultando in una guida silenziosa e fluida, e la soluzione di lubrificazione SDR offre un ambiente più pulito ed ecologico con una vita più lunga rispetto alle tradizionali funi metalliche. Inoltre, non c'è usura su pulegge o pulegge di rinvio, il che elimina la necessità di mantenere questi componenti.

L'SDR è un'alternativa competitiva ai mezzi di sospensione a cinghia piatta, con un approccio più sicuro basato sia sulla resistenza al collasso complessivo delle strutture in fune metallica intrecciata che sul sistema di funi multiple. Sebbene l'SDR differisca dalle corde convenzionali nei suoi meccanismi di degrado, non sono necessari sofisticati sistemi di monitoraggio del degrado per determinarne lo stato di deterioramento. Infine, gli SDR a sezione circolare di piccolo diametro offrono una maggiore flessibilità e adattabilità alle geometrie dell'albero in diverse configurazioni di sollevamento, consentono un sistema di funi più preciso per le applicazioni previste e aiutano a garantire condizioni di carico ottimali.

Referenze
[1] Sito web di Otis (www.Otisworldwide.com). Informazioni sugli ascensori (consultato il 14 maggio 2012).
[2] EN 81-1, 1998. Regole di sicurezza per la costruzione e l'installazione di ascensori – Parte 1: Ascensori elettrici.
[3] Urchegui, MA, Hartelt, M., Klaffke, D. e Gómez, X. "Test di sfregamento di laboratorio con campioni di filo sottile". TriboTest, vol. 13, n. 2, 2007, pp. 67-81.
[4] Urchegui, MA, Tato, W. e Gómez, X. "Evoluzione dell'usura in una corda intrecciata soggetta a flessione ciclica". Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 17, nr. 4, 2008, pp. 550-560.
[5] Usabiaga, H. e Durville, D. "A Finite Element Approach for Modeling Wire Ropes", Conferenza OIPEEC '09: Innovative Ropes and Rope Applications, OIPEEC, 2009.
[6] Evans, JJ, Ridge, IML e Chaplin, CR "I guasti dei cavi nelle funi e la loro influenza sul comportamento della deformazione del cavo locale nella fatica della tensione di tensione". Journal of Strain Analysis for Engineering Design, vol. 36, n. 2, 2001, pp. 231-244.
[7] Feyrer, K. Wire Ropes: Tension, Endurance, Reliability (1a edizione), Springer, 2007, pp. 400.