Corde e trazione

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Introduzione alle funi di sollevamento

Questo articolo è tratto dal libro del tuo autore, L'ascensore: dalle basi al calcolo, che tratta gli elementi chiave dei sistemi di ascensori, concentrandosi sui temi dei motori e del controllo, dell'analisi del traffico, delle funi e della trazione. È pensato per fornire un rapido riferimento ai professionisti esperti e una conoscenza di base dei sistemi di ascensori a chi si avvicina al settore per la prima volta........ Redazione

Esistono fondamentalmente due tipi principali di ascensori nel mondo: a trazione (chiamati "elettrici" negli Stati Uniti) e idraulici, nonostante i tipi minori come azionamenti a tamburo, azionamenti a motore lineare, azionamenti pneumatici (a vuoto), ecc. Oltre il 99% degli ascensori operanti nel mondo sono del tipo a trazione, in particolare quelli con velocità nominale pari o superiore a 1 m/s (200 piedi/min). Questi ascensori si affidano a funi di sollevamento per salire e scendere. Inoltre, l'effettivo funzionamento del dispositivo di sicurezza finale di un ascensore (vale a dire, limitatore di velocità e paracadute), dipende fortemente dalla fune del regolatore, sebbene un po' più sottile rispetto a quella del paranco o delle funi di sospensione. Ciò indica l'importanza delle funi in un sistema di ascensori. Tuttavia, la fune di sollevamento è anche un fattore chiave negli incidenti degli ascensori.

Una buona manutenzione e ispezione delle funi richiedono un lavoro abile e non facilmente realizzabile dai profani. Inoltre, non esiste una specifica aspettativa di vita delle funi di sollevamento, sebbene possiamo effettuare una stima basata sull'uso, l'ambiente e la manutenzione. Qui, esamineremo diversi tipi di sistemi di funi, tipi di funi di sollevamento e la loro struttura e manutenzione di routine. Molti articoli su questo argomento possono essere trovati in ELEVATOR WORLD, come: Wolf, E. e Franz, A., "Wire Rope - Rope Development for Elevators", (marzo 2006, pag. 122-126); Rhiner, M. e Heling, K., "Understanding Elevator Rope, Performance, Endurance and Longevity" (aprile 2009, pag. 95-101); e Scheunemann, W., Vogel, W. e Barthel, T., “Cavi in ​​acciaio per ascensori di trazione” parte uno (maggio 2009, p. 87-92), parte due (luglio 2009, p. 63-73) e parte tre (settembre 2009, p. 95-112).

Tipi di sistemi di funi

Esistono molti tipi di sistemi di funi (Figura 1). I tipi (a), (b), (c) ed (e) sono i più comuni. Il tipo più popolare che può spiegare il funzionamento di un tipico ascensore a fune è il tipo (a), solitamente per ascensori ad alta velocità. Le funi di sollevamento sono collegate ad una cabina dell'ascensore (cabina) ad un'estremità e ad un contrappeso all'altra estremità. Le funi sono posate su scanalature sulla puleggia motrice, che è azionata da un motore tramite un freno con o senza riduttore. La forza di attrito tra le scanalature e le funi spinge le funi su e giù. Il contrappeso viene solitamente regolato per essere il peso dell'auto vuota, più metà della capacità di carico completo. In altre parole, quando l'auto è a metà carico e nel mezzo del vano corsa, l'intero sistema diventa fermo, anche se il freno viene rilasciato. La puleggia di tipo (a) è chiamata "puleggia deviatrice", che viene utilizzata per mantenere una distanza appropriata tra l'auto e il contrappeso. Altrimenti, si colpirebbero facilmente l'un l'altro quando si spostano su e giù lungo l'asta.

Il tipo (a) è un azionamento a avvolgimento singolo con un fattore di fune di 1. Viene solitamente utilizzato per ascensori ad alta velocità con una velocità pari alla velocità di rotazione della puleggia motrice in rad/s moltiplicata per il raggio della puleggia. Il vantaggio principale di un azionamento a avvolgimento singolo è il suo funzionamento ad alta velocità, ma la potenza del motore deve essere maggiore, poiché la potenza è uguale alla moltiplicazione della velocità di rotazione e della coppia. La coppia è la forza di torsione che tende a provocare la rotazione. In fisica, è uguale alla forza applicata, moltiplicata per la distanza perpendicolare tra la forza e l'asse di rotazione. A parità di potenza, una velocità di rotazione più elevata significa una coppia inferiore.

Viene spesso utilizzato un fattore di fune di 2, come mostrato nel tipo (c), per aumentare la capacità di sollevamento del sistema. Questo tipo è ancora un'unità a capo singolo. Quando è fermo, il peso della cabina e del carico è pari al doppio della tensione di tutte le funi di sollevamento. Ma, ovviamente, qualcosa deve essere sacrificato qui, poiché anche la velocità nominale della cabina dell'ascensore è dimezzata. I lettori possono avere familiarità con i concetti di vantaggio meccanico (MA) e rapporto di velocità (VR) delle macchine. MA è definito come il rapporto tra la forza prodotta da una macchina e la forza ad essa applicata. VR è definito come la distanza percorsa dallo sforzo applicato alla macchina rispetto alla distanza percorsa dal carico. Il rendimento della macchina, sempre inferiore a uno, è uguale a MA diviso VR. Da notare che la coppia della puleggia motrice viene trasmessa alle funi del paranco tramite la forza di attrito, detta “trazione”, tra le scanalature e le funi. Per migliorare la trazione, vengono spesso utilizzate trasmissioni a doppio avvolgimento, come mostrato dal tipo (e). Tutti questi tipi hanno la macchina elettrica in posizione sopraelevata.

Se non è possibile prevedere un locale macchina sopra l'ultimo piano (ad es. per mancanza di spazio sopra l'ultimo piano), a volte vengono utilizzati i tipi con la macchina in posizione interrata. Questi sono illustrati come tipi (b), (f ) e (h).

Struttura di una fune metallica d'acciaio standard

Solitamente, le funi di sollevamento sono realizzate in acciaio. Una corda non è un oggetto solido; è costituito da trefoli costituiti da piccoli fili di acciaio con un'anima in fibra (naturale o artificiale) o in acciaio (Figura 2). Questo perché le funi devono piegarsi attorno alla superficie curva e scanalata della puleggia motrice e delle pulegge, andare dritte e piegarsi ripetutamente ad alte velocità. Ciò significa che una fune continua a cambiare forma durante il normale funzionamento. È impossibile eseguire questo compito utilizzando un pezzo solido.

Come mostrato nella Figura 3(a), se la fune è un oggetto solido, si romperà passando sopra una puleggia. L'uso dei trefoli è inevitabile. Poiché la fune ha spessore, quando si passa su una superficie curva, la sua curvatura esterna deve essere estesa, mentre quella interna si accorcia, quando si passa su una puleggia. Ciò è impossibile se si adotta un fascio di fili paralleli.

Pertanto, come mostrato nella Figura 3 (b), la compensazione della lunghezza deve essere manipolata in modo che la lunghezza totale di ogni pezzo di filo (o di ogni trefolo) possa rimanere invariata durante la piegatura. Questo viene fatto usando una forma attorcigliata, in cui i fili possono spostarsi marginalmente in modo a spirale. In questo modo, durante il normale funzionamento, ogni pezzo di filo e ogni trefolo si sfrega contro un altro. I fili si sfregano l'uno contro l'altro nelle valli e si sfregano contro la scanalatura della puleggia motrice in corrispondenza delle corone. Questo spiega perché la lubrificazione della fune è della massima importanza. Una corretta lubrificazione garantisce che i fili non si rompano quando si sfregano l'uno contro l'altro o contro le scanalature della puleggia motrice, senza ridurre l'attrito tra i fili e le scanalature. Per questo motivo, durante la manutenzione ordinaria deve essere utilizzato un lubrificante speciale (come specificato dal produttore della fune).

Nei sistemi di ascensori, i trefoli disposti parallelamente sono spesso impiegati dove non ci sono due pezzi di filo che si incrociano. Il numero di trefoli e fili varia tra i diversi tipi di funi. Di solito, ci sono 19 pezzi di filo su un filo, disposti in due modi principali: Seale e Warrington. Le loro sezioni trasversali sono mostrate nella Figura 4, che mostra anche che entrambi i tipi hanno tipicamente tre strati di fili (cioè, 9 + 9 + 1 = 19 per Seale e 6 [strato esterno] + 6 [strato esterno] + 6 [strato interno ] + 1 = 19 per Warrington). I 12 fili sullo strato esterno della disposizione Warrington sono di due diverse dimensioni. Questo per far sembrare la corda più circolare. Un'altra disposizione, Warrington-Seale, ha più fili su un filo. In genere ci sono sei trefoli per fune per il funzionamento a bassa velocità e otto trefoli per fune per il funzionamento ad alta velocità.

Ci sono corde per destrimani e per mancini. Le funi degli ascensori sono generalmente disposte a mano destra (Figura 5), ​​per cui i trefoli, quando si muovono lungo la fune come visto dal supporto ad un'estremità, vengono ruotati in senso orario. Inoltre, ci sono due tipi di lay: lay ordinario (o regolare) contro lay di Lang. Quest'ultimo ha un verso di posa dei trefoli esterni della fune diverso dai fili dei trefoli esterni (rispetto a quello di avvolgimento ordinario, come mostrato in Figura 5). Pertanto, nelle funi a posa regolare, i fili esterni visibili seguono la direzione approssimativa dell'asse della fune. Nelle funi di Lang's, i fili esterni visibili sono inclinati di un angolo ripido rispetto all'asse della fune. Le funi degli ascensori sono generalmente di una disposizione ordinaria. È più facile montare funi di tipo ordinario, che hanno solo una leggera tendenza a srotolarsi quando vengono appese liberamente nel vano ascensore. Il loro allungamento elastico è inferiore a quello delle funi di Lang.

I sei o otto trefoli di fili sono supportati, o distanziati verso l'esterno, dall'anima della fune (Figura 6). Questa è una funzione principale del nucleo: senza di esso, i trefoli non possono essere adeguatamente distanziati per formare una corda relativamente rotonda. Un'altra funzione principale del nucleo è che agisce come un pool di stoccaggio per il lubrificante.

Le anime in fibra naturale sono solitamente realizzate in sisal o canapa, che ha un buon potere assorbente per il lubrificante e un basso allungamento elastico longitudinale. Tuttavia, la fibra naturale è sensibile all'elevata umidità dell'aria e si marcisce facilmente se esposta all'umidità. Pertanto, le funi con anima in fibra naturale non sono adatte per essere utilizzate in pozzi con elevata umidità. La fibra sintetica ha un potere di assorbimento del lubrificante relativamente inferiore e un maggiore allungamento elastico longitudinale. È adatto per l'uso in ambienti umidi.

Il filo di acciaio viene solitamente utilizzato nelle funi con anime metalliche. Questo tipo di anima aumenta la sezione metallica e riduce lo stress di trazione nei singoli fili. Sono soggette a un allungamento inferiore nelle stesse condizioni di carico delle funi con anima in fibra. Tuttavia, le funi con anima in filo di acciaio non possono ruotare durante l'installazione. (Nelle funi con anime in fibra, tutti i trefoli diventano uniformemente più lunghi o più corti quando la fune ruota.) Nelle funi con anime in filo di acciaio, sia i trefoli esterni che quelli interni si allentano in una certa misura. Pertanto, questo tipo richiede una maggiore abilità per l'installazione.

Sforzo di trazione e allungamento

Poiché i fili corrono a spirale, essendo metallici, si comportano come molle. Sotto carico, una fune di sollevamento si estende come una molla e torna alla lunghezza originale una volta scaricata. Quindi, si applica la legge di Hooke. Modulo di Young, o il modulo di elasticità, E(ε), è definito come il rapporto della tensione di trazione (ε) all'allungamento ε. Vale la seguente serie di equazioni:

Qui, F è la forza esercitata sulla fune in tensione, A₀ è l'area della sezione trasversale effettiva attraverso la quale viene applicata la forza, L or x è l'allungamento o la quantità di cui cambia la lunghezza della fune, e L₀ è la lunghezza originale della corda. k è chiamata "costante di Hooke", che descrive la rigidità della fune basata sul modello di una molla. Le funi di basso allungamento elastico longitudinale hanno un valore maggiore di k.

Requisiti delle funi di sollevamento

Le funi in filo d'acciaio, al contrario di altri materiali, vengono utilizzate negli impianti di ascensori per diversi motivi. Ovviamente la tensione deve essere adeguata, in quanto un'auto a pieno carico è molto pesante.

Inoltre, in accelerazione, il peso potrebbe essere del 15% in più perché la normale velocità di accelerazione è di circa 1 m/s2 (200 piedi/min2 o 10% di gravità) e, a volte, anche superiore. Oltre alla tensione, le funi sono esposte ad altri fattori di sollecitazione, inclusa la sollecitazione di flessione, quando i fili si piegano l'uno rispetto all'altro; torsione, dove è inevitabile che le funi si attorciglino durante il funzionamento; attrito, con conseguente ulteriore usura abrasiva dei trefoli; e compressione, quando le funi passano attraverso pulegge e pulegge.

Poiché le funi vengono utilizzate per sollevare la cabina dell'ascensore o il contrappeso (viaggiano sempre in direzioni opposte) a causa dell'attrito tra le scanalature sulla puleggia motrice e le funi, la trazione è la prima considerazione. Mentre la trazione deve essere sufficiente, non può essere eccessiva. Il codice specifica che quando il contrappeso si trova sul respingente in fossa, la trazione non deve essere così elevata da sollevare un'auto sopra l'ultimo piano, anche se la puleggia motrice è ancora in rotazione.

Di solito, ci sono diverse funi per una cabina dell'ascensore. Tale ridondanza attiva viene fornita per garantire che quando una fune si rompe, l'intero sistema è ancora sicuro, perché le funi rimanenti possono assumere il ruolo di questa fune in avaria. La cabina dell'ascensore deve essere comunque sospesa in sicurezza quando rimane intatta una sola fune. Questo è chiamato "fattore di sicurezza", che deve essere almeno 12 in Europa e circa 10 negli Stati Uniti, a una velocità nominale di 2 m/so 400 piedi/min. Il fattore di sicurezza delle funi è definito dal rapporto tra il carico di rottura minimo di una fune e la propria tensione di esercizio.

C'è un ulteriore vantaggio nell'utilizzo di funi in acciaio: la capacità del personale di manutenzione di identificare la possibilità della fine della sua vita utile. La valutazione si basa generalmente sulla misurazione del diametro di una fune usata, il numero di rotture del filo sugli strati esterni dei trefoli, l'esistenza di rouge (polvere rossa sulla superficie della fune che suggerisce un deterioramento avanzato), ecc. La misura del diametro della fune deve essere da corona a corona. Per arrivare ad un valore medio si devono fare due misurazioni a 90° l'una dall'altra, perché molto spesso una fune operatrice non è perfettamente tonda.

Le proprietà ideali delle corde includono:

• Il minimo grado di usura della fune, che richiede fili spessi e un'elevata resistenza alla trazione del filo
• Lunga durata della fune quando si scorre su pulegge e pulegge, richiedendo fili sottili (Quindi, è necessario fare un compromesso quando si considera il punto precedente. Questo conflitto è presente anche nei due punti successivi.)
• Compatibilità con la puleggia motrice, che richiede una bassa resistenza alla trazione del filo
• Massima resistenza alla rottura possibile, che richiede un'elevata resistenza alla trazione del filo
• Basso allungamento della fune dovuto ai processi di accorciamento della fune dopo il funzionamento per un certo periodo di tempo e alle aspettative di comfort di marcia, che richiedono un'elevata area della sezione trasversale metallica e un'anima in fibra di alta qualità
• Accessibilità

Requisiti diversi possono comportare differenze nella struttura della fune desiderabile. Come si può vedere, c'è spesso un conflitto fondamentale tra loro. Quindi, è sempre necessario un buon compromesso in base alle effettive condizioni operative.

La resistenza alla trazione, un parametro importante di una fune in acciaio, indica il carico massimo che una fune può normalmente sopportare. I fili con un'elevata resistenza alla trazione sono generalmente più duri. Naturalmente, quando una fune è soggetta ad usura e affaticamento metallico, la resistenza alla trazione diminuirà gradualmente. La resistenza alla trazione dei fili negli strati interni del trefolo (tipicamente 1,770 N/mm2) è spesso diversa da quella dello strato esterno del trefolo (tipicamente 1,370 N/mm2). Questo è chiamato "dual trazione" perché la durezza di una fune è solitamente superiore a quella della scanalatura della puleggia motrice. Uno strato esterno più morbido di fili di un trefolo, con una resistenza alla trazione relativamente inferiore, può ridurre al minimo l'usura sulla scanalatura.

La durezza della fune è generalmente superiore a 400 HB sulla scala Brinell, mentre la durezza della scanalatura è leggermente superiore a 210 HB. BHN è designato dagli standard di prova più comunemente usati (ASTM E10-14 e ISO 6506–1:2005) in termini di "HBW" ("H" dalla durezza, "B" da Brinell e "W" dal materiale del penetratore, carburo di tungsteno [wolfram]). Negli standard precedenti, "HB" o "HBS" erano usati per riferirsi a misurazioni effettuate con penetratori in acciaio. HBW è calcolato in entrambi gli standard utilizzando unità metriche come:

where F = carico applicato (in Newton), D = diametro del penetratore (in millimetri), e d = diametro dell'impronta (in millimetri).

Il valore HBW di 1,770 N/mm2 è comunemente usato in tutto il mondo. Per i fili interni vengono utilizzati anche 1,180 N/mm2 o 1,570 N/mm2. Per una fune da 8 (trefoli) X 19 (fili per trefolo) con resistenza alla trazione (1,370/1,770) con un diametro di 11 mm (7/16 in.), la forza di rottura massima è 55.7 kN (12,500 lbf). Se si utilizzano fili con un carico di rottura di 1,770 N/mm2 su tutta la fune, nella differenza tra i fili interni e i fili esterni di un trefolo, il carico di rottura massimo diventa 62.8 kN (14,100 lbf). Se queste funi vengono utilizzate per un ascensore con una velocità nominale di 2 m/s (400 ft/min), la tensione massima in condizione statica in una qualsiasi fune non deve essere superiore a 6.3 kN, poiché si applica un fattore di sicurezza di 10 negli Stati Uniti

Come detto in precedenza, il diametro della fune deve essere misurato da corona a corona (Figura 7). Per gli ascensori a trazione o elettrici, di nuova installazione, il diametro della fune deve essere compreso tra 0% e +5% del diametro nominale. Quando è vecchio, il diametro potrebbe scendere dal -6% al -10% e deve essere scartato.

Lubrificazione delle funi di sollevamento

Come accennato in precedenza, durante il normale funzionamento delle funi, i fili continuano a sfregare l'uno contro l'altro e contro le scanalature delle pulegge e pulegge di trasmissione. L'unico motivo per cui le funi possono piegarsi su pulegge o pulegge è che tutti i fili sono in grado di spostarsi l'uno rispetto all'altro. Pertanto, è necessaria la lubrificazione della fune. Tale lubrificazione riduce l'attrito tra i fili e tra i trefoli. Tuttavia, allo stesso tempo, non deve ridurre la trazione tra le funi e le scanalature. Questa preoccupazione significa che è falso assumere il concetto di "più è, meglio è".

Come accennato in precedenza, l'anima in fibra di una fune è un deposito di lubrificante. Al momento della consegna dal produttore, la nuova anima in fibra di qualsiasi fune è ben impregnata di lubrificante, mentre la fune stessa è ben lubrificata. Una volta che la fune è installata e messa in funzione, il lubrificante dall'anima della fibra è costretto a filtrare verso l'esterno. Pertanto, dopo alcune settimane di funzionamento, è necessario pulire il lubrificante sulla superficie della fune. È quindi necessaria la rilubrificazione. Da quel momento in poi, le funi devono essere continuamente controllate per la mancanza di lubrificante. Di tanto in tanto sarà necessaria la rilubrificazione, ad esempio un paio di volte all'anno. La riapplicazione del lubrificante deve dipendere dalle condizioni della fune, in quanto la frequenza della rilubrificazione dipende da diversi fattori:

• Frequenza di funzionamento dell'ascensore
• Ambiente di funzionamento (tra cui temperatura, umidità, presenza di polvere, ecc.)
• Materiale della puleggia e usura della puleggia
• Puleggia di trazione temprata (che richiederà una rilubrificazione più frequente)
• Slittamento tra le funi e la puleggia motrice

Prima di eseguire la rilubrificazione, è necessaria un'accurata pulizia della superficie della fune. Questo perché, durante il funzionamento, il lubrificante si mescola spesso a polvere e sporco nel vano ascensore e nella sala macchine. Tale lubrificante contaminato deve essere rimosso prima di aggiungere nuovo lubrificante. Il lubrificante deve essere pulito e non contaminato da sporco esterno. In caso contrario, non è possibile controllare accuratamente il diametro della fune e contare il numero di rotture del filo per determinare la vita della fune.

La rilubrificazione ha anche uno scopo importante: mantenere l'anima della fibra nella sua dimensione originale. Poiché la missione principale dell'anima della fibra è mantenere i trefoli in posizione, quando l'anima è ben lubrificata, i trefoli sono adeguatamente distanziati e non si sfregano l'uno contro l'altro troppo forte. Tuttavia, l'anima della fibra si restringe e si secca se perde gradualmente lubrificante. In questa situazione, è meno efficace nel distanziare i fili. Poiché tutti i fili sono sottoposti ad alta tensione, cercano di spostarsi verso il nucleo man mano che il nucleo si assottiglia. Durante il funzionamento, trefoli e fili si sfregano l'uno contro l'altro sempre più forte.

Ci sono due problemi qui. Innanzitutto, l'intera fune diventa un po' più sottile, riducendo la superficie di contatto tra la fune e la scanalatura e compromettendo la trazione. In secondo luogo, cosa più significativa, la superficie dei fili è soggetta a un'enorme usura. Sulla superficie della fune si formano particelle di ferro. Poiché queste particelle non sono più protette dal lubrificante, tendono a formare rapidamente ruggine per ossidazione. Ciò si traduce nella formazione di polvere rossa sulla superficie della fune, chiamata rouge. Quando le particelle di ferro vengono rimosse dai fili, i fili si assottigliano e sono facilmente soggetti a rotture per abrasione.

È ovvio che ogni pezzo di filo in ogni trefolo è in tensione, poiché tutti i fili condividono il carico di una fune. Man mano che il filo si assottiglia, anche se la resistenza alla trazione rimane invariata, il carico massimo che la fune può sopportare si riduce, poiché l'area dei fili si riduce. Pertanto, quando il personale di manutenzione trova del rosso su una porzione limitata della superficie della fune, la fune deve essere sottoposta a manutenzione immediata, sebbene la sostituzione possa non essere urgente. La manutenzione di una fune con rouge non può riportare la fune allo stato in cui si trovava quando era nuova, ma può almeno ridurre il tasso di deterioramento. Quando una corda è coperto con il rouge, anche lungo una piccola porzione, e lasciato incustodito, si deteriorerà rapidamente e la vita si accorcia molto.

Alcuni produttori affermano che le loro funi non necessitano di rilubrificazione, perché il lubrificante aggiunto durante la produzione è abbastanza buono per la vita della fune. Questa affermazione è molto dubbia, perché non esiste una vita determinata di una corda. Può essere breve o lungo, a seconda delle condizioni operative e dell'ambiente.

Per giocare sul sicuro, le corde devono essere pulite e lubrificate regolarmente per evitare un rapido deterioramento.