Mezzi di sospensione — Equalizzazione dei carichi per prolungarne la durata

I sistemi di allineamento idraulico della fune riducono sostanzialmente l'usura della fune su qualsiasi sistema di ascensore.

Questo documento è stato presentato a Berlino 2018, il Congresso internazionale sulle tecnologie di trasporto verticale e pubblicato per la prima volta nel libro IAEE Tecnologia degli ascensori 22, a cura di A. Lustig. È una ristampa con il permesso dell'Associazione Internazionale degli Ingegneri degli Ascensori  (www.elevcon.com).

Negli ultimi anni sono stati riscontrati crescenti problemi di eccessiva usura dei mezzi di sospensione sugli ascensori, in particolare sugli impianti senza locale macchina (MRL). Le cause sono numerose, ma la distribuzione del carico all'interno della fune è di grande importanza. Secondo i noti studi del professor Klaus Feyrer presso l'Università di Stoccarda, la durata dell'intero set di funi può essere ridotta fino al 40% se una fune si discosta solo del 15% dal valore medio di tutti i carichi di fune nel set . Utilizzando un principio fisico noto da tempo, è stato sviluppato un dispositivo per l'installazione permanente con il quale i carichi della fune possono essere compensati in modo ottimale senza alimentazione esterna di energia (anche durante la corsa dell'ascensore) in installazioni nuove ed esistenti. Questo articolo tratterà il principio di funzionamento, il design scelto e i risultati sugli ascensori selezionati.

Introduzione

Gli sviluppi nel mercato degli ascensori hanno portato gli ascensori di oggi a perdere la validità della stima consolidata per la durata di una fune compresa tra 10 e 20 anni, una durata che in precedenza non veniva raggiunta in caso di scarsa manutenzione e/o montaggio o estrema condizioni ambientali.

La richiesta di sistemi di ascensori con il minimo ingombro possibile continua senza sosta, i vantaggi per architetti e proprietari di edifici sono molto evidenti. Questi sistemi, generalmente concepiti come ascensori a fune senza locale macchina, possiedono diverse particolarità per quanto riguarda i loro mezzi di sospensione:

• Sospensione multipla (2:1 o superiore)
• Diametri della puleggia di trazione ridotti
• Diametri di fune o cinghie bassi, che consentono raggi di curvatura il più piccoli possibile

Queste caratteristiche, realizzate secondo i desideri dei clienti, hanno effetti negativi sulla durata dei mezzi di sospensione, rispetto ai sistemi di sollevamento a sospensione diretta con funi di diametro superiore a 8 mm e pulegge di trazione di grandi dimensioni.

La funzione di sospensione multipla, per la quale la trasmissione è spesso posizionata direttamente nell'albero per risparmiare spazio, richiede più rulli di rinvio. Ciò significa più punti di flessione per i mezzi di sospensione, generalmente anche con controflessione, che aumenta notevolmente l'usura delle funi d'acciaio.

Per ridurre ulteriormente lo spazio di costruzione richiesto, è ovviamente opportuno ridurre anche i diametri della puleggia di trazione e dei rulli di rinvio; allo stesso tempo, ciò consente l'applicazione di azionamenti economici, che offrono alta velocità ma coppia relativamente bassa. Poiché il mezzo di sospensione non consente raggi di curvatura così piccoli come potrebbe essere richiesto, cioè il rapporto tra il diametro della puleggia di trazione e il diametro del mezzo di sospensione (D/d) non può essere troppo piccolo — anche i diametri dei mezzi di sospensione devono essere ridotti. Pertanto, negli ascensori senza locale macchine si trovano spesso diametri di fune di circa 6 mm.

È ovvio che minore è il diametro della fune, minore sarà la capacità di carico di queste funi, il che significa che sono necessarie più funi (il che aumenta notevolmente la possibile capacità di flessione) o che devono essere utilizzate funi di maggiore resistenza in modo che il numero di funi necessarie non diventa troppo elevato. Tali funi ad alta resistenza richiedono una maggiore durezza della puleggia di trazione per ridurre al minimo l'usura su queste e sulle funi. Altre soluzioni possono essere funi plastificate, che, ovviamente, non causano quasi nessuna usura delle pulegge di trazione, ma causano altri problemi, come ad esempio nel determinare correttamente i criteri di scarto.

Senza voler descrivere troppo in dettaglio le singole relazioni tra i parametri, si può ritenere che si debba trovare un mix equilibrato tra le condizioni al contorno che non aumentino eccessivamente l'usura dei mezzi di sospensione ovunque siano presenti impianti di ascensori poco ingombranti senza sale macchine necessario.

Modi per ridurre l'usura dei mezzi di sospensione

Le condizioni di progettazione sopra menzionate per gli ascensori senza sala macchine causano tutte una maggiore usura delle funi senza possibilità di compensare la causa di tale usura:

• Ogni flessione delle funi di sospensione ne aumenta l'usura.
• La controflessione aumenta notevolmente l'usura delle funi.
• Se il rapporto di diametro D/d si riduce linearmente, l'usura della fune aumenta in modo esponenziale.
• Se il fattore di sicurezza della fune diminuisce linearmente, anche l'usura della fune aumenta in modo esponenziale.

Per compensare i fattori dannosi per la durata della fune e continuare a mantenere elevate prestazioni di marcia, tutte le condizioni ambientali rimanenti per i mezzi di sospensione devono essere adattate in modo ottimale durante il funzionamento. In questo modo è possibile aumentare ancora una volta il numero di cicli di piegatura.

Manutenzione della fune

Quasi tutti i produttori di funi offrono un agente di cura appropriato per le loro funi d'acciaio che riduce la corrosione e l'abrasione. Le funi sono prelubrificate, ma la polvere e l'abrasione possono legare il lubrificante in modo che l'effetto lubrificante sia ridotto continuamente.

La manutenzione della fune deve essere eseguita in conformità con le raccomandazioni del produttore per evitare inutili limitazioni della durata della fune anche a questo punto.

SERVIZIO DI di Nuove Sospensioni

In parte, i produttori di funi forniscono istruzioni dettagliate su come installare nuove funi e cosa dovrebbe essere sempre osservato nell'interesse di una lunga durata della fune. Oltre a commenti piuttosto ovvi, come quello che le funi non devono essere piegate quando posate, alcuni produttori hanno anche applicato una marcatura sulle funi: la cosiddetta eyeline o linea di superficie. Questa linea, applicata nella direzione della sospensione, permette di evitare che le funi si attorciglino quando vengono stese durante l'installazione, errore che può verificarsi molto facilmente poiché le funi iniziano a torcersi da sole. Se, nonostante ciò, le funi dovessero essere stese attorcigliate e poi fissate al contrappeso e alla cabina o alla testata del pozzo in modo che non possano più srotolarsi, ciò avrebbe gravi ripercussioni negative sulla durata, in quanto ulteriori e si verificherebbe un'usura inutile all'interno della fune durante ogni movimento dell'ascensore.

Distribuzione del carico tra i mezzi di sospensione

La suddetta torsione delle funi porta anche a differenze di capacità di carico delle funi durante il movimento dell'ascensore, ma questa è solo una piccola parte del problema. Molto più grave, ovviamente, è l'effettivo adattamento delle corde l'una all'altra.

La distribuzione del carico all'interno del set di funi è un fattore decisivo per la durata delle funi. Un'equazione è riportata nel lavoro standard sulle funi metalliche nella costruzione di ascensori del Dr. Klaus Feyrer.[1] Utilizzando questa equazione, è possibile determinare la capacità di flessione delle funi metalliche, in funzione della tensione della fune. Se tutti i parametri in questa equazione (condizioni ambientali, parametri meccanici della fune, ecc.) vengono mantenuti gli stessi e si considera solo la differenza nella tensione della fune, si rivelano effetti sorprendenti della distribuzione del carico sulla vita della fune. Questo è stato pubblicato anche da Pfeifer Drako in un documento tecnico del 23 novembre 2009, basato sulla formula dichiarata da Feyrer:

• Una riduzione del 5% della differenza di carico tra le funi di sospensione aumenta la durata dell'11%.
• Una riduzione del 10% della differenza di carico tra le funi di sospensione aumenta la durata del 23%.
• Una riduzione del 15% della differenza di carico tra le funi di sospensione aumenta la durata del 38%.

Da alcuni anni sono disponibili sul mercato dei misuratori di tensione delle funi. Oltre al peso assoluto della cabina, l'utilizzo di questi dispositivi può determinare i carichi delle funi individuali per la regolazione. Questo è, ovviamente, molto utile, ma ancora insufficiente, come verrà spiegato.

Variazione della distribuzione del carico durante il viaggio

Naturalmente è possibile regolare manualmente le funi solo quando l'impianto ascensore è fermo. Ciò significa che la posizione della cabina nel vano deve essere decisa e le funi devono essere regolate in questa posizione. Ciò significa generalmente che, nel caso di un impianto sospeso 2:1 senza locale macchina, la cabina è posizionata nella battuta più alta in modo da poter raggiungere gli attacchi terminali delle funi per la regolazione.

A seconda della progettazione dei dispositivi di misurazione della tensione della fune, può essere possibile misurare in anticipo l'andamento delle singole tensioni della fune, durante il movimento dell'ascensore, per determinare l'impostazione ottimale delle funi per la successiva regolazione. Ciò è necessario, poiché le tensioni delle singole funi cambiano costantemente durante il movimento dell'ascensore, spesso in misura sostanziale. Diversi fattori possono causare questo: leggere deviazioni tra le scanalature e le funi, rodaggio non circolare delle scanalature della puleggia di trazione, rulli di rinvio che non sono assolutamente orizzontali l'uno rispetto all'altro, ecc.

Nel caso di un sistema sospeso 2:1 con una puleggia di trazione di 240 mm di diametro e un'altezza di corsa di 20 m, una differenza di 1/10 mm nella scanalatura o nel diametro della fune può essere responsabile di un diametro della fune di 17 mm differenza tra le singole funi durante il movimento su tutta l'altezza di corsa. È quindi facile immaginare quanto carico in più possa sopportare una fune di 17 mm più corta delle altre. Il risultato è un'usura eccessiva della fune. Questo effetto può verificarsi per le cause sopra citate anche su nuovi ascensori sospesi 2:1. Tuttavia, questo non significa che debbano essere trovati in egual misura su sistemi sospesi 1:1.

L'esempio seguente (Figura 1) mostra una misurazione su un sistema sospeso 1:1 che presenta una differenza di tensione della fune fino al 200% durante il movimento dell'ascensore. È anche chiaro vedere come le singole tensioni della fune vengono spostate durante il movimento dell'ascensore.

La corretta regolazione della tensione della fune è essenziale per un tale sistema di ascensore se si vuole sfruttare al massimo la durata teorica delle funi. La regolazione a campione delle funi durante ogni intervento di manutenzione è un primo ed importante passo, ma sicuramente non è sufficiente, in quanto la regolazione può avvenire solo in determinati punti riferiti sia al tempo che alla posizione. Non appena l'ascensore inizia a muoversi dopo tale regolazione della fune, la regolazione della fune risulterà nuovamente insufficiente per la nuova posizione nel vano.

Idraulico Equalizzazione della tensione

Per ridurre al minimo l'usura delle funi a causa delle diverse tensioni nelle singole funi, le singole funi devono essere tensionate in modo coerente durante il movimento dell'ascensore. Ci sono molte diverse opzioni di soluzione disponibili per questo scopo. Una delle opzioni più semplici fu registrata negli Stati Uniti per l'approvazione del brevetto nel marzo 1872.

Usando questo metodo, i cilindri idraulici sono incorporati nella terminazione della fune e assicurano che le funi si allineino tra loro non appena le tensioni della fune iniziano a deviare. Questa soluzione idraulica ha il marcato vantaggio di non richiedere alcuna alimentazione elettrica aggiuntiva, sensori o circuiti di controllo, ed è anche relativamente semplice per quanto riguarda la sua costruzione meccanica, produzione e installazione.

Principio fisico

Il brevetto utilizza la fisica dell'incomprimibilità e della propagazione uniforme della pressione nei liquidi, un principio utilizzato più volte in idraulica. Di solito, l'applicazione tecnica include il cosiddetto convertitore di potenza, che amplifica le forze.

Da un lato viene esercitata una forza (relativamente) debole su un pistone di diametro il più piccolo possibile. Dall'altro lato del sistema idraulico c'è un secondo pistone con una sezione trasversale (relativamente) ampia. Poiché la pressione del pistone all'interno del liquido è la stessa in tutti i punti, quando viene premuto il pistone piccolo viene esercitata una forza sul pistone grande, che viene amplificata dal rapporto delle aree del pistone:

where p è la pressione, F₁ è la forza al pistone piccolo, A₁ è l'area del pistone piccolo, F₂ è la forza sul pistone grande, e A₂ è l'area del pistone grande.

Naturalmente, il risparmio energetico continua ad applicarsi invariato: sollevare il pistone grande di una distanza s₂, è necessario spostare il pistoncino di una distanza opportunamente maggiore s₁. Quanto segue si applica con l'equazione di cui sopra:

where s₁ è la distanza di movimento al pistoncino e s₂ è la distanza di spostamento al pistone grande.

Questo principio si applica anche a qualsiasi numero di cilindri idraulici interconnessi. Se tutti questi cilindri dovessero essere identici e avessero quindi la stessa area (A₁ = A₂), dalle suddette formule risulta subito chiaro che la forza F₁ è sempre identica alla forza F₂, o la distanza s₁ è sempre uguale alla distanza s₂.

Il brevetto citato sfrutta proprio questo fatto: tutte le funi si allineeranno sempre tra loro se le loro connessioni terminali terminano su cilindri idraulici tutti interconnessi e di uguale area. L'allineamento avviene, teoricamente, a zero. In realtà, naturalmente, c'è sempre attrito all'interno dei cilindri, che consente solo un certo allineamento. (Nel caso di costruzione intelligente e selezione delle guarnizioni, è certamente possibile l'allineamento a 40 N per cilindro.)

Pratico Implementazione/Attuazione per ascensori

Per applicare i principi per i nuovi sistemi, nonché per gli ammodernamenti sugli ascensori in modo semplice ed economico, durante l'attuazione dei principi devono essere osservate le seguenti condizioni al contorno:

• Dimensioni minime di costruzione — La piastra della fune non deve essere modificata e, allo stesso modo, non deve essere perso spazio di costruzione (in particolare per gli ascensori senza sala macchine).
• Cascata — Semplice modifica degli ascensori con un numero qualsiasi di funi, senza messa in servizio.
• Sicurezza — I fissaggi delle estremità della fune non devono essere modificati.
• Longevità — Dovrebbero essere realizzabili diversi milioni di corse del cilindro o movimenti dell'ascensore.

In considerazione delle condizioni dichiarate, è stato sviluppato e realizzato il seguente progetto: come si può vedere nella rappresentazione isometrica, i singoli cilindri possono essere montati sulla piastra fune esistente se, come in questo progetto, i loro diametri esterni non entrano in collisione con la distanze di corda. Per questo motivo i diametri sono stati scelti in accordo con i respingenti o le molle a spirale normalmente utilizzati.

Compensazione diagonale della trazione

Per ridurre al minimo la costruzione del cilindro idraulico - dopo tutto, questo è il prerequisito per un semplice assemblaggio senza misure di conversione sul sistema - è necessario un ulteriore componente: la cosiddetta piastra oscillante.

In particolare, per quanto riguarda gli ascensori sospesi 2:1 progettati senza locali macchine, si verifica generalmente un tiro diagonale massiccio fino a un angolo di 7° su funi sottili in corrispondenza della fermata più alta.

Questo tiro diagonale si ripete naturalmente nell'asta filettata dei mezzi di sospensione ma non deve mai interessare il cilindro idraulico. Se il cilindro idraulico dovesse così poggiare diagonalmente sulla piastra della fune, il flusso di forza nei cilindri genererebbe forze trasversali nei cilindri.

Per assorbire tali forze trasversali con un'usura ridotta, i cilindri dovrebbero essere estremamente sovradimensionati per lo scopo dell'applicazione. Ciò renderebbe impossibile la loro installazione nella piastra di corda esistente.

Le piastre oscillanti incorporate tra il cilindro e la piastra della fune assicurano che il cilindro rimanga sempre allineato parallelamente ai connettori di estremità del mezzo di sospensione e che non vengano generate forze trasversali.

effetti on Individuale Tensioni dei mezzi di sospensione

Gli effetti dell'allineamento della fune idraulica sono sostanziali e possono, ad esempio, essere visualizzati utilizzando il suddetto dispositivo di misurazione della tensione della fune. In Figura 4, nel diagramma di sinistra è presentato l'andamento della tensione delle singole funi in caso di allineamento fune disattivato. È evidente come le singole funi “si allontanano” o addirittura assorbono e trasferiscono carichi in direzioni opposte l'una all'altra. Ciò fa sì che le singole funi sopportino un carico molto maggiore di altre e quindi riduca la loro durata (e, quindi, dell'intero set di funi) e può danneggiare la puleggia di trazione e i rulli di rinvio.

Il diagramma a destra mostra le singole tensioni delle funi in caso di allineamento idraulico attivo delle funi: Il carico complessivo si distribuisce in modo ottimale tra le singole funi. Le progressioni di carico nelle singole funi corrono parallele; nessuna delle funi sopporta un carico sproporzionatamente maggiore o minore delle altre. Ci sono ancora piccole differenze tra le funi, che sono causate dal fatto che il principio fisico non può essere trasferito idealmente nel mondo reale e, quindi, esiste un attrito interno nei cilindri.

Sintesi

Il fattore decisivo che contribuisce alla durata delle funi di sospensione, dopo il loro corretto dimensionamento e dopo aver escluso errori evitabili di installazione e manutenzione della fune, è soprattutto la tensione ottimale della fune in ogni posizione all'interno del vano. La tendenza verso sospensioni multiple sta avendo un effetto anche su sistemi di ascensori relativamente piccoli. In precedenza, si vedevano solo su ascensori per piani alti con un'altezza di corsa di diverse centinaia di metri: piccole deviazioni nelle scanalature delle pulegge di trazione e nei diametri delle funi portano a grandi differenze nelle singole tensioni delle funi, come le piccole pulegge di trazione degli ascensori senza macchina i locali effettuano una quantità di rotazioni simile a quella delle pulegge di trazione degli ascensori per piani alti.

Anche se le singole tensioni della fune vengono regolate periodicamente utilizzando una tecnologia di misurazione ad alta precisione, non è possibile prevenire l'usura della fune, poiché tale regolazione può essere effettuata solo per una posizione della cabina all'interno del vano.

Una soluzione che riduca sostanzialmente al minimo l'usura della fune deve, tuttavia, essere applicata su tutta l'altezza di corsa ed avere effetto in ogni posizione della cabina all'interno del vano.

La soluzione presentata in questo articolo sotto forma di allineamento idraulico della fune ridurrà sostanzialmente l'usura della fune su qualsiasi sistema di ascensore, anche se installato in un sistema già danneggiato, e ha il notevole vantaggio di non richiedere elettricità aggiuntiva, sensori o circuiti di controllo e può essere installato molto facilmente senza che siano necessarie misure di conversione.

Referenze
[1] Feyrer, Prof. Dr. K. Drahtseile: Bemessung, Betrieb, Sicherheit. 2a ed. Springer Verlag, Berlino Heidelberg, New York (2000).
[2] Pfeifer Drako, Scheunemann, Dr. W. U091123_Seilspannung, Mühlheim ad Ruhr (2009).