Potenziale di rischio dei dispositivi di sicurezza

Questo documento è stato presentato a  Parigi 2014, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale, e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 20, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori  (sito web: www.elevcon.com). Il presente documento è una ristampa esatta e non è stato modificato da ELEVATOR WORLD.

Astratto

È una pratica preferita in tutto il mondo testare i dispositivi di sicurezza con i pesi quando i sistemi di ascensori vengono immessi sul mercato. E la giustificazione è ragionevole: durante queste prove tutti i componenti vengono sottoposti a una prova di sollecitazione meccanica in modo che vengano alla luce difetti avvenuti durante l'installazione e carenze strutturali.

Ma nella peggiore delle ipotesi – un arresto di emergenza in caduta libera a pieno carico – questo test è in grado di fornire una verifica dell'efficacia del paracadute solo in modo molto limitato o per niente. Lo stesso vale per eventuali ispezioni ricorrenti da effettuarsi a intervalli prestabiliti. Questo non solo è stato dimostrato da numerosi esempi pratici, ma può anche essere facilmente verificato fisicamente.

Nel frattempo sono disponibili diverse alternative all'ispezione tradizionale che consentono di eseguire un'ispezione dei paracadute molto più sicura e significativa senza l'uso di pesi.

1. introduzione

La giustificazione per testare i paracadute con i pesi, pratica preferita in quasi tutto il mondo quando i sistemi di ascensori vengono immessi sul mercato, è ragionevole. Durante queste prove tutti i componenti sono sottoposti ad una sollecitazione meccanica per cui vengono alla luce difetti avvenuti durante l'installazione e carenze strutturali. Ma nella peggiore delle ipotesi – un arresto di emergenza in caduta libera a pieno carico – questo test è in grado di fornire una verifica dell'efficacia del paracadute solo in modo molto limitato o per niente.

Lo stesso vale per eventuali ispezioni ricorrenti da effettuarsi a intervalli prestabiliti. E questo non solo è stato dimostrato da numerosi esempi pratici, ma può anche essere facilmente verificato fisicamente. Nel frattempo sono disponibili diverse alternative all'ispezione tradizionale che consentono di eseguire un'ispezione dei paracadute molto più sicura e significativa senza l'uso di pesi.

2. Situazione iniziale

2.1 Requisiti che devono essere soddisfatti dai dispositivi di sicurezza degli ascensori

Quasi tutti gli standard di sicurezza attualmente esistenti per i sistemi di ascensori richiedono che i paracadute siano in grado di decelerare in sicurezza un'auto a pieno carico fino all'arresto completo in una situazione di caduta libera.

A seconda della norma applicata vengono specificati diversi limiti di decelerazione che non possono essere superati o superati.

In molti paesi vengono specificate distanze di scorrimento minime o massime al posto dei limiti di decelerazione, misurando la lunghezza dei segni di slittamento del paracadute sulle rotaie, che, ovviamente, corrisponde fisicamente alla decelerazione ottenuta.

Solitamente questo deve essere verificato quando il sistema viene immesso sul mercato e durante ispezioni ricorrenti (ad esempio in alcune parti d'Europa ogni 2 anni, in Nord America ogni 5 anni).

2.2 Prova dei paracadute con pesi di prova

Da quando Elisha Graves Otis ha presentato il suo rivoluzionario freno di sicurezza per ascensori durante l'Expo mondiale del 1854 a New York, le funi di sospensione dei sistemi di ascensori di solito non vengono più tagliate deliberatamente per dimostrare l'efficacia dei dispositivi di sicurezza.

Invece l'auto è caricata con il suo carico nominale, accelerata in modalità di guida verso il basso prima che il paracadute venga attivato alla velocità nominale o alla velocità di intervento del limitatore di velocità. Le decelerazioni ottenute vengono misurate durante il processo o successivamente derivate dalle distanze di scorrimento misurate sulle rotaie di guida.

Quando le misurazioni soddisfano i requisiti della norma di sicurezza appropriata e l'attrezzatura meccanica del sistema ascensore non mostra segni di danneggiamento, si considera che il paracadute abbia superato il test.

2.3 Prova dei paracadute senza l'uso di pesi di prova

Quando i nuovi sistemi di ascensori vengono immessi sul mercato, i paracadute vengono testati con pesi di prova in quasi tutto il mondo, tranne in Austria dove una scappatoia nella norma europea che verrà presto chiusa consente di verificare l'efficacia dei paracadute utilizzando dispositivi sostitutivi misurazioni mediante sistemi di test elettronici specializzati.

Da oltre 20 anni le ispezioni periodiche dei paracadute in Germania vengono generalmente effettuate senza l'uso di pesi di prova. Vengono invece utilizzati sistemi di prova elettronici che misurano le forze del paracadute e ne ricavano l'efficacia per il sistema ascensore in questione.

Con l'edizione 2013 di A17.1 (USA) e/o B 44 (Canada), questi sistemi di prova possono ora essere utilizzati anche in Nord America per ispezioni ricorrenti.

3. Correlazioni fisiche durante i test dei dispositivi di sicurezza

Quando si esamina la pratica preferita per testare il paracadute imballando l'auto con il carico nominale e arrestandola in una situazione di velocità eccessiva o nominale, diventa immediatamente evidente che un requisito importante che deve essere soddisfatto dai paracadute non viene testato a tutti: l'efficacia del paracadute quando decelera un'auto a pieno carico fino all'arresto completo in uno scenario di caduta libera! 

Questo requisito ha lo scopo di garantire che, anche nell'evento più improbabile di un guasto generale della fune di sospensione, nessuno dei passeggeri venga ferito o ucciso.

La differenza tra il requisito e la prova pratica è anche fisicamente sostanziale poiché trascura tutte le forze derivanti dal contrappeso quando esistono funi di sospensione. Parti della forza peso del contrappeso (FCW) agiscono sulla vettura attraverso le funi di sospensione nella stessa direzione della forza di decelerazione del paracadute (FS). In altre parole: il contrappeso supporta il paracadute nella compensazione della forza peso dell'auto a pieno carico (FFC). Questo supporto non esiste nel peggiore dei casi quando le funi di sospensione non esistono più. Le seguenti illustrazioni di un modello estremamente semplificato mostrano le forze nel momento in cui l'auto effettua un arresto di emergenza durante una prova pratica con pesi di prova e quando si ferma in una situazione di caduta libera.

Si può ipotizzare che nel momento in cui interviene il paracadute le forze FCW del contrappeso siano praticamente nulle poiché il contrappeso che viene accelerato verso l'alto continua a muoversi verso l'alto a causa della sua interzia e che quindi le funi tra contrappeso e cabina si allentano per un attimo . Esattamente in quel momento la prova pratica sarebbe pari all'effettivo requisito di una sosta in caduta libera. Ma non è affatto così, come è stato dimostrato da numerose misurazioni pratiche. Fattori decisivi che impediscono ciò sono le funi che agiscono come lunghe molle che devono prima allentarsi nuovamente a seconda della loro costante elastica. Poiché l'effettivo processo di decelerazione dura solo pochi millisecondi, questo è qualcosa che accade estremamente di rado.

(solido: accelerazione, tratteggiato: carico nelle funi di sospensione, tratteggiato: velocità)

Ora T1: Accelerazione: 0.0 m/s²    forza: 28 kN    Velocità: -1.3 m/s

Ora T2: Accelerazione: 2.3 m/s²    forza: 11 kN    Velocità: -0.7 m/s

Ora T3: Accelerazione: -0.7 m/s²   forza: 2 kN     Velocità: 0.0 m/s

L'illustrazione 2 mostra chiaramente che la forza nelle funi di sospensione viene continuamente ridotta (curva tratteggiata) durante l'intero funzionamento del paracadute (T1-T3). All'inizio dell'operazione del paracadute la forza è di 28 kN. All'istante T2, quando la cabina è già stata decelerata alla metà della velocità di intervento del limitatore di velocità, è ancora di 11 kN e al termine dell'intervento del paracadute è ancora di 2 kN.

Trascurare questa forza significherebbe una decelerazione calcolata dell'auto a pieno carico in una situazione di caduta libera di 12 m/s² (~ 1.2 g). Ma questo risultato non è corretto! In realtà uno scenario di caduta libera produrrebbe una decelerazione di soli 3 m/s² (~ 0.3 g) che impedirebbe gravi lesioni personali in questo sistema di ascensori.

Esperimenti empirici hanno dimostrato che queste influenze derivanti dal contrappeso durante le prove di paracadute con un'auto vuota e mediate per tutta la durata dell'operazione effettiva del paracadute corrispondono a circa il 50% della forza peso dell'auto a pieno carico. E l'influenza è ancora più forte con un'auto a pieno carico poiché le decelerazioni ottenute sull'auto e quindi la differenza di decelerazione tra il contrappeso e l'auto sono sostanzialmente inferiori.

Il modello presentato nell'illustrazione 2 ha la seguente equazione di movimento:

in cui l'accelerazione e le forze dipendono dal tempo. Di seguito vengono esaminati ad intervalli i valori medi semplificati durante il funzionamento del paracadute

tra t_{inizia a} e T_fine, vengono utilizzate le stesse designazioni, ad esempio:

Ciò produce una forza media del dispositivo di sicurezza con un'auto vuota di:

La distanza effettiva di arresto nella fase di decelerazione ottimale è calcolata dalla decelerazione media e dalla velocità v all'inizio della decelerazione mediante una doppia integrazione:

La forza del paracadute per un'auto caricata con il carico nominale m_rl quindi ammonta a:

Supponendo che la forza del paracadute durante una corsa in discesa di un'auto con solo un piccolo carico o di un'auto vuota non sia almeno non inferiore a quella di un'auto a pieno carico, queste due forze possono essere considerate uguali F_{S, E} =F_{S, F} e può essere utilizzato per calcolare la decelerazione del paracadute a carico nominale. Questa procedura è consentita in quanto la forza di decelerazione teorica del paracadute non dipende né dalla velocità iniziale né dal carico della cabina. Questi parametri influiscono solo sulla distanza di arresto e sulla decelerazione risultanti.

Una migliore presentazione è data mostrando le forze risultanti dal contrappeso come un multiplo a del carico della cabina:

Alcune trasformazioni poi producono la decelerazione del paracadute con un carico nominale:

Queste equazioni consentono di trarre due conclusioni interessanti:

1. La decelerazione della vettura è fortemente dipendente dalle forze risultanti dal contrappeso. Come già accennato in precedenza, le forze medie risultanti dal contrappeso corrispondono spesso alla metà della forza peso dell'auto a pieno carico. Quando questo viene inserito nell'equazione (4), diventa molto presto evidente che questo influenza in modo sostanziale le decelerazioni e/o la lunghezza dello spazio di scorrimento. I risultati di queste caratteristiche sono chiaramente migliorati dalle influenze del contrappeso rispetto a quanto sarebbero migliorati nel peggiore dei casi con funi rotte.
2. L'equazione (5) mostra chiaramente che è possibile utilizzare la decelerazione durante il funzionamento del paracadute con una cabina vuota per determinare la decelerazione e quindi anche lo spazio di scorrimento per una cabina a pieno carico in una situazione di caduta libera quando il peso e la sono noti il ​​carico della vettura e le forze di contrappeso. Tale elemento è utilizzato dai sistemi elettronici di collaudo di cui si è detto in precedenza e verrà ripreso in seguito.

4. Effetti del contrappeso sulla dichiarazione di ispezione

È ora interessante applicare queste riflessioni all'attuale pratica comune di ispezione dei paracadute con pesi di prova, che richiede di fare una differenza tra le ispezioni effettuate prima dell'immissione sul mercato dei sistemi di ascensori e le ispezioni ricorrenti.

4.1 Ispezione del paracadute prima che il sistema venga immesso sul mercato

Quando il sistema viene immesso sul mercato si può sperare che i pesi reali del contrappeso e della vettura siano conformi ai criteri di progettazione in base ai quali è stato selezionato il paracadute. Si deve inoltre presumere che il sistema sia stato installato correttamente e che ad esempio il contrappeso o le guide della cabina non si inceppino il che sosterrebbe inammissibilmente il paracadute in decelerazione.

Anche il paracadute selezionato ha generalmente superato un esame di tipo e quindi ha dimostrato di essere in grado di decelerare i carichi specificati fino all'arresto completo anche in una situazione di caduta libera senza che vengano superate determinate soglie di decelerazione.

Ma se si dà uno sguardo ai due principali criteri di prova specificati nelle norme di sicurezza di tutto il mondo e conoscendo l'influenza che deriva dal contrappeso, non si possono ignorare alcuni evidenti punti deboli

4.1.1 Criterio di prova: misurazione della distanza di scorrimento

Un principio di ispezione come quello specificato nella norma nordamericana ASME A17.1-2010/CSA B44-10, ad esempio, consiste nel decelerare l'auto a pieno carico che corre a velocità eccessiva fino all'arresto completo utilizzando il paracadute seguito da una misurazione della distanza di scorrimento utilizzando i segni sui binari di guida. In ASME A17.1-2010/CSA B44-10, Tabella 2.17.3 “Distanze di arresto massime e minime per sicurezze per auto di Tipo B con carico nominale e sicurezze a contrappeso di Tipo B”, è specificato un limite minimo e/o massimo che deve essere raggiunti.

Per le vetture con velocità nominale di 1.25 m/s, ad esempio, la norma specifica una velocità di intervento del limitatore di velocità di 1.7 m/s, una distanza di arresto minima di 150 mm e una distanza di arresto massima di 675 mm.

Se poi si usa l'equazione (4) per calcolare la forza media del paracadute che alla fine si evidenzia alla velocità di intervento e alla distanza massima di arresto, un'auto con un peso a vuoto di 2300 kg e un carico di 1100 kg risulta  F_{S, F} = 40633 N – F_{CW, F} .

Al contrario, c'è una forza di 33354 N in uno scenario di caduta libera che farebbe schiantare questa macchina. È assolutamente chiaro che la forza FCW,F prodotta dal contrappeso non deve superare i 7279 N perché questo impedirebbe al paracadute di decelerare la vettura. Ciò corrisponde semplicemente al 22 % della forza peso dell'auto a pieno carico. In questo sistema che esiste realmente in Nord America l'influenza del contrappeso è quasi del 50 %.

Ciò produce lo spaventoso risultato che sebbene l'efficacia di questo dispositivo di sicurezza in conformità con lo standard valido sulla determinazione della distanza di scorrimento sia teoricamente corretta, questa cabina a pieno carico non potrebbe essere arrestata completamente in caso di uno scenario di caduta libera .

4.1.2 Criterio di prova: misurazione della decelerazione

Gli altri criteri di prova specificati ad esempio nella norma europea DIN EN 81-1:2010-06 nel capitolo 9.8.4 per i paracadute dei freni sono valori limite per una decelerazione in una situazione di caduta libera (indipendentemente dal carico effettivo) di a minimo 0.2 g e massimo 1.0 g. Questo viene testato portando l'auto con il 125 % del carico nominale a un arresto completo.

Anche qui il problema è che la prova non viene mai eseguita con funi di sospensione tagliate e che non si conoscono gli influssi del contrappeso. Quindi anche questo criterio di prova non consente di formulare una dichiarazione sull'efficacia del paracadute in una situazione di caduta libera. Sotto certi aspetti questo può portare alle stesse condizioni disastrose descritte nel criterio di prova della distanza di scorrimento.

Le osservazioni fatte in merito alla prova con i pesi prima dell'immissione sul mercato del sistema mostrano che l'efficacia della sicurezza non è in realtà completamente testata poiché non sono noti gli effetti del contrappeso.

Alla fine bisogna fare affidamento sulla qualità del lavoro svolto dall'impresa installatrice, sull'esame del tipo del paracadute e in primis sulla correttezza dei pesi calcolati del contrappeso e della cabina.

4.2 Ispezione periodica del paracadute

In linea di principio, le ispezioni ricorrenti dei paracadute sono disciplinate dagli stessi principi già menzionati per le ispezioni prima dell'immissione sul mercato dei sistemi. Ma ora si aggiunge il fattore influente tempo.

Il sistema dell'ascensore potrebbe essere stato modernizzato nel frattempo. Questo spesso va di pari passo con un aumento del peso dell'auto. L'impresa che esegue l'ammodernamento ha solitamente ripristinato l'equilibrio del contrappeso aumentandone il peso. Pertanto, le forze risultanti dal contrappeso possono essere aumentate durante l'ispezione del paracadute, cosicché il risultato del test è ancora meno utile per dimostrare l'efficacia del paracadute.

A seconda delle condizioni di manutenzione e del tempo in cui l'impianto ascensore è stato in funzione, possono verificarsi usura dei paracadute, guide, ecc. In alcuni casi questo è un altro fattore che contribuisce ad aumentare le forze derivanti dal contrappeso.

5. Ispezione del paracadute mediante sistemi di prova elettronici

Come mostrato dalle equazioni è possibile determinare la decelerazione di una cabina a pieno carico in uno scenario di caduta libera dalla decelerazione del paracadute testata con una cabina vuota purché siano note le influenze del contrappeso. Questo principio si basa sul fatto che la forza di un freno e quindi del paracadute si sviluppa indipendentemente dal peso da decelerare o dalla sua velocità. Per gli impianti ascensore questo significa che il paracadute deve essere completamente inserito e in questa condizione deve applicare sempre la stessa forza di decelerazione. Tale forza di decelerazione può essere determinata misurando la decelerazione della vettura e le forze risultanti dal contrappeso durante l'azionamento del paracadute. Una volta determinata questa forza di decelerazione, è facile calcolare la decelerazione media dell'ascensore in una situazione di caduta libera per qualsiasi carico casuale e velocità iniziale.

I moderni sistemi di prova elettronici sono quindi costituiti da due componenti principali: un sensore di accelerazione montato sull'auto e sensori di forza che misurano le forze nelle funi di sospensione immediatamente sopra l'auto durante l'azionamento del paracadute. Quindi le equazioni di cui sopra vengono utilizzate per il calcolo dell'efficacia del paracadute. Poiché questi sistemi sono in uso in Germania e recentemente anche in Nord America, sono stati individuati numerosi impianti di ascensori nei quali non è stato possibile verificare l'efficacia dei paracadute nonostante in passato fossero stati ispezionati ad intervalli ricorrenti, ma con pesi di prova e senza conoscere la influenze di contrappeso.

La superiorità fisica di questo principio di misura rispetto ad una possibile affermazione circa l'efficacia del paracadute è evidente. Occorre aggiungere un altro fattore spesso trascurato: un argomento importante per le ispezioni con pesi di prova è il test di installazione e di qualità del materiale eseguito contemporaneamente sotto forma di stress test del sistema di ascensore meccanico. Eventuali carenze vengono rilevate da un controllo visivo dopo che l'intervento del paracadute è finito in auto deformate, pannellature interne distrutte, ecc.

Ma si applica in misura ancora maggiore al test senza pesi di prova. Poiché la forza di decelerazione del paracadute è la stessa in questa prova come nella prova con pesi, le decelerazioni sono molto più elevate e lo spazio di arresto è molto più breve.

La decelerazione nettamente maggiore e più brusca provoca quindi anche una sollecitazione meccanica sostanzialmente maggiore per l'impianto ascensore. Uno stress che nel peggiore dei casi, ad esempio con un solo passeggero, deve essere sopportato.

6. Riassunto

Questo documento ha chiarito che una prova del paracadute utilizzando pesi di prova e senza determinare le influenze del contrappeso non consente di fare una dichiarazione sull'efficacia del paracadute, né prima che venga immesso sul mercato né durante ispezioni ricorrenti.

In Europa, ad esempio, il requisito specificato nella EN81 rispetto ai limiti di decelerazione in una situazione di caduta libera non è testato.

Sicuramente l'aumento del livello di sicurezza è uno dei motivi per cui l'attuale edizione 2013 della norma ascensoristica nordamericana A17/B44 ha consentito, anche se solo come opzione, i sistemi di test elettronici. Le ispezioni che utilizzano pesi di prova sono ancora consentite e sono persino obbligatorie prima dell'immissione sul mercato del sistema.

Poiché le ispezioni senza pesi di prova sono accompagnate anche da una prova di sollecitazione meccanica sostanziale per il sistema dell'ascensore, deve essere consentito mettere in dubbio la giustificazione dell'ispezione del paracadute utilizzando pesi di prova e chiedersi se l'uso di sistemi di prova elettronici non fornisce un molto maggiore affidabilità e sicurezza.

Dettagli biografici
Tim Ebeling lavora dal 2003 come responsabile dello sviluppo presso Henning GmbH & Co. KG. In questa veste ha fondato il centro di ricerca e sviluppo a Braunschweig (Germania). Un team di dipendenti sta attualmente lavorando allo sviluppo e alla produzione di componenti elettronici e di misurazione per ascensori.
Dal 2012 l'autore è anche amministratore delegato. Uno dei suoi punti focali particolari è la tecnologia di misurazione. Soprattutto in questo settore l'autore vanta molti anni di esperienza nello sviluppo di sistemi di misurazione dell'accelerazione e del carico su fune.
L'obiettivo professionale dell'autore è quello di arricchire il mercato degli ascensori con componenti innovativi per ascensori e contrastare l'aumento della pressione sui costi nel settore degli ascensori attraverso lo sviluppo di componenti efficienti, sostenibili e che fanno risparmiare manodopera.