Analisi della sensibilità delle variabili di progettazione dell'installazione della cabina dell'ascensore per guidare l'usura delle scarpe

Viene presentata un'analisi di sensibilità numerica su come diverse variabili di progettazione di un'installazione di cabina ascensore determinano l'usura dei pattini di guida.

FJ Martinez¹, R. Monge1, MA Martínez², JA Roig³, A. Gomez¹ e MA Jiménez^1
1Instituto Tecnológico de Aragón, Area Ricerca, Sviluppo e Servizi Tecnologici, Saragozza, Spagna
²Università di Saragozza, Spagna
³MP Ascensori, Spagna

Questo documento è stato presentato a Lucerna 2010, il Congresso Internazionale sulle Tecnologie di Trasporto Verticale e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Elevator Technology 18, 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.
Parole chiave: pattini guida, usura, simulazione elementi finiti, TPU, guide per ascensori

Astratto

Viene presentata un'analisi di sensibilità numerica su come diverse variabili di progettazione di un'installazione di cabina dell'ascensore determinano l'usura dei pattini di guida. L'analisi si basa su simulazioni di elementi finiti in combinazione con un modello sviluppato dall'utente per l'usura dei polimeri. La simulazione del processo di usura nei pattini di guida segue una metodologia numerico-sperimentale basata sulla caratterizzazione iniziale dell'usura mediante prove alternate in tribometro su scala di laboratorio; dai risultati dei test di laboratorio è possibile derivare un modello di usura per il materiale delle scarpe di guida, che viene successivamente implementato in un codice commerciale agli elementi finiti per effettuare previsioni di usura finali considerando i parametri di installazione reali.

1.Introduction

La tribologia svolge un ruolo notevole nell'interazione tra le parti del sistema in componenti di componenti meccanici che includono parti in polimeri o elastomeri, come può essere il caso dell'industria degli ascensori. Tuttavia, in generale, la tribologia viene solitamente applicata in un senso molto specifico a una particolare coppia di contatti, essendo specificamente applicata da un punto di vista sperimentale mediante un lavoro basato sull'esperienza e su un metodo "trail-error", invece di sviluppare una conoscenza micro e macro delle proprietà tribologiche del sistema. Inoltre, non esiste una conoscenza generale in questioni chiave come lubrificazione, attrito o usura. A questo punto è molto importante l'indagine sulle proprietà tribologiche dei materiali coinvolti nella coppia di contatto e lo sviluppo di strumenti di modellazione da applicare al componente industriale. Questa indagine può essere utilizzata in diverse fasi dello sviluppo del componente per un'ulteriore applicazione in condizioni di maggiore efficienza, maggiore sicurezza, minor costo e minor impatto ambientale.

Il lavoro proposto in questo articolo prende come punto di partenza lo sviluppo di una metodologia completa per la caratterizzazione e la modellazione numerica, utilizzando la simulazione agli elementi finiti, dell'usura in materiali termoplastici su controfacce metalliche che lavorano in condizioni di contatto strisciante. La metodologia può essere suddivisa in tre attività principali: a), sviluppo di una metodologia robusta per caratterizzare il processo di usura del poliuretano mediante tribotest; b), selezione di un modello di usura adatto dal risultato ottenuto nei tribotest e adattamento dei parametri del modello, che è supportato dall'analisi parallela dei meccanismi di rottura presenti nel contatto tra le due parti e dell'analogia tra il processo di usura e la fatica cresce materiale; e c), l'implementazione numerica del modello di usura in un codice agli elementi finiti, con particolare attenzione a come accelerare le simulazioni senza influenzare significativamente la precisione dei risultati. Una volta che questa metodologia è stata completamente sviluppata, può essere applicata alla fase di progettazione del componente, mostrando un esempio di applicazione attraverso un'analisi di sensitività numerica di come diverse variabili di progetto di un'installazione di cabina dell'ascensore determinano l'usura dei pattini di guida. Infine, viene presentata anche la progettazione, lo sviluppo e l'avviamento di un nuovo tribometro, mantenendo la stessa configurazione alternativa, di corsa più lunga di quella utilizzata per caratterizzare il modello di usura.

2. Descrizione generale della metodologia

2.1 Caratterizzazione del modello di usura

Per quanto riguarda la caratterizzazione del processo di usura, i tribotest sono progettati e sviluppati in un tribometro commerciale (modello Plint TE 77), lavorando i campioni dalla coppia di contatti dell'applicazione reale, inserto del pattino di guida e guida di sollevamento, al fine di analizzare in primo luogo quali sono le variabili più influenti nel processo di usura. La configurazione alternativa nel tribometro viene scelta per mantenere la stessa struttura superficiale nella coppia di contatti come nell'applicazione reale (vedi Figura 1). Lungo questi test, sono state analizzate molte dipendenze variabili, come carico, distanza percorsa, frequenza di test, influenza della temperatura di contatto nel processo di usura, variazione profilometrica e detriti da usura generati. Per controllare l'influenza di tutte queste variabili, è necessario eseguire una procedura robusta per la caratterizzazione dei test di usura, che includa, inoltre, fasi di pulizia e manutenzione dei provini, precedenti fasi di precondizionamento in carico e frequenza, soffiaggio sulla pista di controfaccia per eliminare i detriti di polimero e attivazione della resistenza termica per gestire l'omogeneizzazione della temperatura di prova. Lungo le prove di usura, vengono controllate l'evoluzione delle curve di carico, temperatura e coefficiente di attrito, nonché la perdita di peso del provino. I dettagli della procedura sperimentale sviluppata sono pubblicati in Martínez et al. (2010 (a)). Come esempio di ripetibilità dei risultati ottenuti nella procedura, la Tabella 1 riporta quelli ottenuti in una delle condizioni considerate (75 N di carico e 500 m di distanza percorsa).

2.2 Sviluppo del modello di usura

Per quanto riguarda lo sviluppo del modello di usura, la legge di Archard (Archard, 1953; Greenwood e Williamson, 1966; Sarkar, 1980; Molinari et al., 2001; Liu e Li, 2001) viene presa come punto di partenza per adattare i risultati del tribotest di usura. Questo modello mette in relazione l'usura in termini di perdita di volume linearmente alla distanza percorsa e al carico applicato mediante un tasso di usura specifico denominato costante. Nonostante vi siano autori in letteratura che hanno rimarcato i limiti di questo modello per caratterizzare l'usura nei polimeri, è ancora ampiamente utilizzato da altri autori, essendo preso come riferimento in questo lavoro a causa della semplicità di caratterizzazione di questo modello dai dati del tribotest di usura.

Il montaggio dei tribotest antiusura fornisce una relazione indipendente tra il tasso di usura specifico e la distanza, ma una dipendenza non lineare tra il tasso di usura specifico e il carico applicato, che contraddice quanto affermato dal modello di Archard. Al fine di approfondire tale relazione e il parametro fisico che governa il processo di usura, viene sviluppata un'analisi numerico-sperimentale localizzata alla coppia di contatti. Tale analisi consiste principalmente in uno studio della superficie del polimero usurato mediante ispezioni al microscopio elettronico (SEM) e in un'analisi mediante simulazioni agli elementi finiti dei tribotest di usura situati alla coppia di contatti, al fine di ottenere la distribuzione e l'evoluzione delle sollecitazioni rispetto al carico applicato. Dalle ispezioni di superfici usurate, come mostrato in Figura 2 e Figura 3, si osservano fenomeni come la formazione di onde e la delaminazione (Bartenevev e Lavrentev, 1981; Johnson, 1995; Suh et al., 1998; Da Silva et al., 2007) , mentre dall'analisi agli elementi finiti (vedi Figura 4 e Figura 5), ​​le massime sollecitazioni di taglio si trovano nella zona subsuperficiale, luogo più propizio all'inizio della cricca rispetto alla superficie, dove si trovano le massime sollecitazioni di compressione (Jia e Ling, 2007 ; Liu et al., 1989; Marchenko, 1990). Inoltre, analizzando le equazioni del modello di usura misurato da tribotest e della crescita delle cricche da fatica nella zona di crescita stabile (vedi eqns 1, 2 e 3), si ottiene una chiara analogia tra i due fenomeni (Thomas, 1974; Cho e Lee, 2000 ).

Per i fenomeni di usura è possibile stabilire una relazione potenziale tra la variazione dell'altezza di usura (Dh) rispetto ad una lunghezza caratteristica nella direzione della distanza percorsa in tribotest (D1) e la forza applicata (F) mediante i coefficienti di adattamento α e (vedi eqn 1).

Dh / Dl = α * (F esp β) (1)

D'altra parte, il fitting dei dati di usura tribotest con diverse funzioni è mostrato nella Figura 6.

dove il miglior adattamento dei dati si ottiene con eqn (2), equazione che può essere direttamente correlata con eqn (1).

W / γ = 1.755 E-6 * (F exp 1.876) (2)

For the fatigue crack growth phenomena, at the stable crack growth zone, a potential relationship between the variation of the crack growth (Da) with regard to a char-acteristic length in the direction of the travelled distance (D1) and the applied force (F) can be set up by means of the material constants B' and β' (see eqn 3). For polymers, β' takes values between 1.5 and 3.5 (Andrew, 1995), range in which the coefficient β of the wear equation is included.

Da / Dl = B' * (F exp β') (3)

2.3 Implementazione numerica del modello di usura

Per quanto riguarda l'implementazione numerica del modello di usura, viene proposta una strategia di modellazione dell'usura per consentire di trattare geometrie e condizioni di contatto molto generali. Questa strategia utilizza la subroutine UMESHMOTION fornita da ABAQUS, che mette in relazione la perdita di volume del materiale con la velocità di ablazione della superficie esterna, a contatto con la superficie di scorrimento del contromateriale. Questa subroutine viene utilizzata in parallelo alla tecnica di mesh adattativa, strumento di smoothing mesh che si basa su tecniche ALE e viene utilizzato alla fine di ogni incremento convergente. Questa tecnica definisce le velocità di restrizione alla zona di mesh adattativa, definita dall'utente, adattando i nodi di questa zona e consentendo alla mesh di muoversi indipendentemente con il materiale.

Lungo l'implementazione numerica del modello di usura, vengono sviluppate due metodologie aggiuntive: la prima è relativa all'adattamento del modello di attrito dai dati tribotest a causa della stretta relazione tra i fenomeni di usura e attrito nei polimeri, e la seconda all'implementazione di il modello di usura in modo accelerato a causa dell'elevato numero di cicli e delle lunghe distanze percorse nelle prove di usura, in modo che la prova di usura possa essere accelerata numericamente in un numero ridotto di cicli di simulazione, consentendo l'implementazione numerica del problema in un calcolo ragionevole tempo. La Figura 7 mostra il modello agli elementi finiti di uno dei tribotest di usura. I dettagli di questa procedura numerica per implementare il modello di usura sono inclusi in un documento presentato alla rivista Tribology International, attualmente in fase di revisione, mentre i dettagli dell'intera procedura numerica sono inclusi in Martínez (2010 (b)).

Per quanto riguarda la procedura numerica messa a punto per implementare il modello di usura in modo accelerato, il primo passo consiste nell'analizzare l'evoluzione della curva di usura al fine di verificare la zona con la maggiore variazione di usura. Secondo i risultati ottenuti, la variazione di usura più elevata si produce all'inizio della curva, che rappresenta la fase di rodaggio, diminuendo significativamente il tasso di usura da una distanza percorsa compresa tra circa 100 m e circa 200 m, che rappresenta la fase stazionaria. Entrambe le fasi corrispondono alle fasi tipiche di una curva di usura, citate in letteratura da autori come Zhang (1998) e Cho e Lee (2000). Tuttavia, secondo i risultati ottenuti da questa procedura numerica, la fase di rodaggio iniziale non risponde allo stesso motivo indicato in letteratura. Tali autori hanno concluso che la fase di rodaggio è dovuta all'eliminazione delle micro asperità del contromateriale, mentre secondo i risultati ottenuti in questo lavoro mediante simulazioni agli elementi finiti, l'usura iniziale è causata dalla significativa variazione geometrica del provino, che risulta dall'elevata distribuzione della pressione di contatto sul provino all'inizio del processo di usura. La fase di massima variazione della distribuzione della pressione di contatto coincide anche con la più alta variazione del tasso di usura. Le Figure 8 e 9 mostrano l'evoluzione della pressione massima di contatto nonché l'evoluzione della perdita di volume ottenuta in una delle simulazioni effettuate per enunciare la procedura numerica di implementazione del modello di usura.

3. Analisi di sensibilità delle variabili di progettazione dell'installazione

Come applicazione esemplificativa della metodologia sviluppata e al fine di mostrare l'applicazione della metodologia al processo di progettazione e sviluppo di un componente industriale, viene eseguita un'analisi di sensibilità delle variabili di progettazione dell'installazione per guidare l'usura delle scarpe. Per fare ciò, vengono utilizzati i risultati delle simulazioni del processo di usura degli inserti del pattino guida in poliuretano termoplastico (TPU) nel sistema di guida di un elevatore (vedi Figura 10 e Figura 11). Il modello agli elementi finiti considera gli inserti del pattino di guida come corpi deformabili, ingranati in dettaglio, specialmente nelle zone di contatto con le guide della cabina dell'ascensore, modellando il resto delle parti come corpi rigidi e unendo i punti caratteristici del modello mediante travi rigide .

Nell'analisi di sensitività delle variabili, l'obiettivo è identificare quali sono le variabili più influenti nel processo di usura degli inserti del pattino guida e se esiste un effetto incrociato tra di loro. A titolo di esempio, questo studio prende come variabili la posizione relativa del tiro di sollevamento, la posizione del carico esterno nella piattaforma e la lunghezza dei pattini di guida, considerando tre casi per la posizione relativa del tiro di sollevamento e due casi per le altre due variabili, quindi che vengono presi in considerazione 12 casi totali, combinando tutte le variabili. La posizione relativa del tiro di sollevamento è indicata in percentuale come

(LPULL/LTOTAL*100, con LTOTAL la distanza tra le guide e LPULL la distanza dalla posizione di sollevamento di trazione alla guida a contatto con i pattini di guida S2-S3 (vedi Figura 10). La tabella 2 mostra i diversi valori rilevati per le tre variabili .

Ogni caso viene simulato mediante un ciclo in salita e in discesa, di 193 m di distanza percorsa equivalente in ogni caso, con una distanza percorsa totale di 386 m. Le Figure 12, 13 e 14 mostrano, rispettivamente, i singoli risultati per ciascuna simulazione, i valori medi in ciascuna variabile e gli effetti incrociati, calcolati come valori medi tra coppie di variabili, in tutti i casi alla distanza totale stimata percorsa di 386 m. Per quest'ultima analisi, in ciascuna figura sono riportati tre diversi grafici: il grafico in alto a sinistra rappresenta la relazione tra la zona di applicazione del carico (curva nera per il primo caso e curva rossa per il secondo) e la lunghezza del pattino di guida (casi nel grafico ascissa), il grafico in alto a destra riguarda la zona di applicazione del carico (curva nera per il primo caso e curva rossa per il secondo) e la posizione relativa del tiro di sollevamento (casi nel grafico ascissa), mentre il grafico in basso riguarda il pattino di guida lunghezza (curva nera per il primo caso e curva rossa per il secondo) e la posizione relativa della portanza (casi in ascissa del grafico). Per maggiori dettagli, vedere Martínez (2010(b)).

Le principali conclusioni emerse da questa analisi sono che il caso con la più alta usura totale è quello corrispondente al 62.5% della posizione relativa del tiro di sollevamento, 100 mm di lunghezza dei pattini di guida e carico applicato al CDE. Inoltre, confrontando i movimenti di salita e di discesa, l'usura nel movimento di salita è maggiore di quella corrispondente al movimento di discesa a causa della maggiore rotazione del telaio dell'ascensore in caso di salita, essendo la posizione relativa del tiro dell'ascensore la variabile più influente nell'analisi dell'usura dei pattini di guida, e senza presentare alcun effetto incrociato tra alcuna variabile. Come conclusione principale, si può affermare che questa analisi mostra la convenienza e l'idoneità dello strumento di implementazione numerica del processo di usura nella fase di progettazione e sviluppo di un componente industriale, identificando quali sono le variabili più influenti nell'usura dell'inserto del pattino guida .

4. Progettazione e sviluppo di un nuovo tribometro a corsa più lunga

Le conoscenze acquisite nella caratterizzazione sperimentale del processo di usura in tribometro sono state utilizzate per progettare, sviluppare e avviare un nuovo tribometro, anche in configurazione alternativa, di corsa maggiore rispetto a quello utilizzato per caratterizzare il modello di usura. Questo nuovo tribometro soddisfa le specifiche emerse dal lavoro precedente con l'obiettivo di risolvere i limiti del tribometro a corsa breve, già commentati, cercando di avvicinare la gamma delle variabili di lavoro a quelle presentate nel componente reale. Pertanto, aumentando la corsa di prova, viene aumentata anche la zona di velocità media. Inoltre, all'aumentare della corsa di prova diminuisce la frequenza di prova e quindi si riduce la temperatura raggiunta alla coppia di contatti, variabile fortemente correlata all'usura del materiale. La Figura 15 e la Figura 16 mostrano il tribometro a corsa più lunga, progettato per carichi verticali fino a 1000 N, velocità lineare compresa tra 0.1 m/s e 2 m/s, controllo della temperatura in condizioni di lavoro da 25ºC fino a 40ºC e corsa variabile da 85 mm fino a 850 mm.

5. conclusioni

In questo lavoro viene proposta e sviluppata da un punto di vista numerico-sperimentale una metodologia per affrontare il problema dell'usura in una coppia di contatti scorrevoli in TPUmetal. Questa procedura è stata impostata in diverse fasi: una prima eseguita per caratterizzare sperimentalmente il problema dell'usura, una seconda fase di modellazione dell'usura dai precedenti risultati sperimentali ottenuti nella prima fase e una terza per implementare numericamente il modello di usura. Inoltre, come quarta fase, viene presentato anche un esempio di applicazione di questa metodologia nel processo di progettazione e sviluppo di un componente industriale, con l'analisi di sensitività di alcune variabili di progettazione dell'impianto, mostrando la convenienza e l'idoneità dello strumento di implementazione numerica del processo di usura di un componente industriale, individuando quali sono le variabili più influenti in questo processo. Come azioni future, e tramite prove con il tribometro a corsa lunga già avviate, l'attività principale è quella di accelerare le prove di usura, avvicinandole alle condizioni di lavoro dell'applicazione reale.

BIBLIOGRAFIA
[1] Martínez, FJ, Canales, M., Bielsa, JM, Jiménez, MA (2010). Relazione tra tasso di usura e fatica meccanica nei contatti scorrevoli TPU-metallo. Usura, 268, pp. 388-398.
[2] Archard, JF (1953). Contatto e sfregamento di superfici piane. J. Appl. Phys., 24, pp. 981-988.
[3] Greenwood, JA, Williamson JBP (1966). Contatto di superfici nominalmente piane. Proc. R. Soc. Londra, 19, pp. 295-300.
[4] Sarkar, AD, (1980). Attrito e usura. Londra: stampa accademica.
[5] Molinari, JF, Ortiz, M., Radovitzky, R., Repetto, EA (2001). Modellazione agli elementi finiti dell'usura da scorrimento a secco nei metalli. ing. Calcolo, 18, pp.
592-609.
[6] Liu, R., Li, DY (2001). Modifica dell'equazione di Archard tenendo conto delle proprietà elastiche/pseudoelastiche dei materiali. Usura, 251, pp. 956-964.
[7] Bartenevev, GM, Lavrentev, VV (1981). Attrito e usura dei polimeri. Tribologia, Serie Tribologia, n. 6, Elsevier Scientific Publishing Company, 10-260.
[8] Johnson, KL (1995). Meccanica di contatto e usura dei metalli. Usura, 190, pp. 162-170.
[9] Suh, NP, Mosleh, M., Arinez, J. (1998). Tribologia degli omocompositi di polietilene. Usura, 214, pp. 231-236.
[10] Da Silva, RCL, Da Silva CH, Medeiros, JTN (2007). C'è usura da delaminazione nel poliuretano? Usura, 263 (7-12), pp. 974-983.
[11] Jia, X., Ling, R. (2007). Due corpi antiusura abrasivi di polietilene, nylon 1010, rivestimenti epossidici e poliuretanici. Tribologia internazionale, 40(8), pp. 1276-1283.
[12] Liu JJ, Zhou PA, Sun, XT, Liao, QC (1989). Usura adesiva e usura da fatica dei materiali, [13] Pechino: Machinery Industry Press, pp. 234-323. Marchenko, EA (1990). Elementi essenziali della rottura per attrito per la superficie dei metalli, Pechino: National Defense Industry Press, pp. 1-8.
[14] Thomas, AG (1974). J. Polym. Sci. Symp., 48, p. 145.
[15] Cho, K., Lee, D. (2000). Effetto del peso molecolare tra le reticolazioni sul comportamento all'abrasione della gomma da parte di un abrasivo a lama. Polimero, 41 (1), pp. 133-140.
[16] Andrew, W. (1995). Fatica e proprietà tribologiche di materie plastiche ed elastomeri. Biblioteca di progettazione di materie plastiche, VI.
[17] Martinez, FJ (2010). Sviluppo di una metodologia numerico-sperimentale come strumento di supporto alla progettazione di sistemi con presenza di contatti alternati termoplastico-metallo. Tesi di dottorato, Università di Saragozza, 234pp.
[18] Zhang, SW (1998). Lo stato dell'arte della tribologia dei polimeri. Tribology International, 31 (1-3), pp. 49-60.