Funi ascensori sottili su piccoli covoni

Questo articolo valuta la correlazione tra il rapporto tra il diametro della puleggia e il diametro nominale della fune e la durata della fune.

Negli ultimi anni, nel settore degli ascensori ha guadagnato terreno un movimento verso l'introduzione di design più compatti e più piccoli. Gli sforzi per ridurre il consumo di energia ei costi hanno ridotto le dimensioni dei singoli componenti. Storicamente, la puleggia di trazione insieme al sistema di azionamento sono stati tra i più importanti gruppi di componenti di qualsiasi installazione di ascensori e hanno costituito la base per la progettazione dell'intera sala macchine. Con l'avvento dell'ascensore senza locale macchina, queste costruzioni sono diventate superflue. Ridurre le dimensioni della puleggia di trazione significa inevitabilmente anche ridurre il diametro del mezzo di sospensione – che è prevalentemente ancora fune metallica. Tuttavia, esistono varie norme, ad esempio la EN 81-1[1], che limitano il grado di riduzione del diametro della fune.

Nonostante ciò, negli ultimi anni sono state introdotte sul mercato una serie di funi che superano questi limiti. Per ragioni di costo, queste funi sottili stanno “stuzzicando l'appetito” di un numero sempre crescente di produttori di ascensori, con una consapevolezza forse insufficiente degli effetti dannosi di un diametro inferiore sulla durata delle funi. Il seguente articolo valuta la correlazione tra il rapporto tra il diametro della puleggia e il diametro nominale della fune D/d e la durata della fune.

Fattori influenzanti

In che modo le funi sono effettivamente in grado di muoversi sui covoni? O in altre parole, come fanno le corde a piegarsi ripetutamente su un raggio per un lungo periodo di tempo? Le funi sono costituite da una moltitudine di singoli fili che si muovono l'uno contro l'altro. Il movimento dei fili permette alla fune nel suo insieme di piegarsi. Contemporaneamente, però, questo spostamento determina movimenti relativi che portano all'abrasione. I fili di una fune quando passano su una puleggia sono soggetti non solo a sollecitazioni individuali ma anche a una varietà di sollecitazioni diverse come flessione, pressione e tensione. La quantità e il tipo di stress dipendono da molti fattori di influenza, principalmente derivanti dalla costruzione di funi e dall'installazione dell'ascensore.

Esempi di variabili di influenza specifiche della corda includono:

• Costruzione della corda
• Resistenza del filo
• Anima, lubrificazione e diametro della fune

Esempi di variabili di influenza specifiche dell'installazione includono:

• Rapporto tra il diametro della puleggia e il diametro nominale della fune
• Caricamento su fune
• Materiale della scanalatura della puleggia
• Profilo della scanalatura della puleggia
• Angolo di deflessione
• Lunghezza di piegatura

In singoli casi, anche altri fattori come la temperatura ambiente e l'umidità possono avere un ruolo aumentando lo stress e quindi influenzando la durata della fune. La varietà dei possibili fattori di influenza rende impossibile calcolare esattamente la durata della fune. Tuttavia, sulla base di prove di flessione a fatica, è possibile fare previsioni ragionevoli per l'età approssimativa di scarto di una fune.

Calcolo della durata di servizio

L'Istituto di tecnologia e logistica per la movimentazione dei materiali dell'Università di Stoccarda ha condotto una moltitudine di prove di flessione a fatica e analisi statistiche. Questi test hanno costituito la base per il calcolo della durata della fune ideato da Feyrer, che considera i fattori sopra menzionati. Nell'equazione è incorporato il rapporto tra il diametro della puleggia e il diametro nominale della fune D/d e anche il profilo della scanalatura.

Influenza del profilo della scanalatura

Il profilo della scanalatura, che sottopone la fune al grado di sollecitazione più basso, è la scanalatura rotonda. Mentre la pressione di contatto sulla fune è bassa, anche questo si traduce in una bassa trazione. Di conseguenza, è necessario specificare un diametro della puleggia maggiore, poiché la sua superficie di contatto maggiore/più lunga aumenterà la trazione. Ciò comporta un elevato rapporto D/d.

Tuttavia, se si vogliono ottenere i benefici di costo precedentemente menzionati, l'obiettivo deve essere quello di lavorare esattamente verso l'effetto opposto, vale a dire un piccolo rapporto D/d. Di conseguenza, viene utilizzata una piccola puleggia con un profilo di scanalatura appropriato. A differenza delle scanalature rotonde, i profili delle scanalature come le scanalature rotonde sottosquadro o le scanalature a V esercitano una pressione di contatto sostanzialmente più elevata, che aumenta la trazione. L'angolo di avvolgimento della fune attorno alla puleggia può quindi essere ridotto.

Nelle scanalature profilate, la fune è bloccata e non giace completamente piatta nella scanalatura e, di conseguenza, la superficie di contatto è ridotta. Livelli di pressione più elevati vengono esercitati sulla restante superficie di contatto, determinando una maggiore tendenza all'abrasione in queste aree. Le interruzioni dei cavi compaiono prima e in numero maggiore. Più il diametro della puleggia è ridotto rispetto al diametro della fune, minore è l'area di contatto tra la fune e più “aggressivo” deve essere il profilo della scanalatura per ottenere la trazione necessaria. Questo, a sua volta, porta inevitabilmente a una riduzione della durata della fune. L'influenza dei vari profili delle scanalature sulla durata della fune si riflette nel fattore d'influenza fN3 (Figura 1). Questo fattore fa parte del calcolo di Feyrer del numero corretto di cicli di piegatura NKorr.[2]

N_Korr = Nf_N1 f_N2 f_N3 f_N4

Nota: corretto numero di cicli di piegatura NKorr secondo^[2] il numero di cicli di piegatura N e i fattori del ciclo di piegatura f_N1-F_N4

Danni alla fune dovuti a un rapporto D/d ridotto

I test hanno dimostrato che con un basso rapporto D/d e un alto livello di tensione della fune, l'intervallo di tempo tra la prima comparsa di rotture del filo e l'età di scarto sarà relativamente breve.

Spesso, un pezzo di un trefolo esterno o pezzi di anima in acciaio si rompono, oppure i singoli fili all'interno del trefolo verranno schiacciati fuori dal loro assemblaggio. A causa dell'elevata pressione superficiale in combinazione con un'elevata sollecitazione di flessione, la superficie dei fili verrà distrutta. Si verificherà un "effetto sfregamento" (slittamento per attrito), poiché sotto questi livelli di stress una quantità normalmente sufficiente di lubrificazione della fune non è più efficace.[3]

Determinazione della vita utile secondo EN 81-1

Nell'allegato N della EN 81-1,[1] è stato pubblicato un metodo per determinare il fattore di sicurezza delle funi di sospensione che tiene conto del calcolo della durata di servizio di Feyrer. Sulla base di questo standard, Schiffner[4] ha sviluppato un metodo "per garantire una durata minima delle funi con l'inclusione di praticamente tutti i parametri di installazione che influiscono sulla durata della fune". Questa vita utile minima dovrebbe essere di 600,000 cicli di piegatura basata su un calcolo di 100,000 viaggi di andata e ritorno all'anno applicato su tre anni.

Sulla base dell'allegato N della EN 81-1,[1] è possibile determinare mediante una formula o un diagramma un fattore di sicurezza per le funi di sospensione. Come evidente nel diagramma di Figura 2 il coefficiente minimo di sicurezza aumenta al diminuire del rapporto diametri D/d e uguale Nequiv (numero equivalente di pulegge di rinvio).

Fondamentali per il pensiero della EN 81-1 sono i criteri per il riconoscimento affidabile dell'età di scarto di una fune tra gli intervalli di ispezione. Il fattore di sicurezza identificato si traduce in un sistema di azionamento a fune con durata limitata.

Risparmi sui costi

I requisiti della norma EN 81-1 possono essere visti da alcuni produttori di ascensori come una restrizione allo sviluppo di concetti di trazione economici. Si sostiene che non tutte le applicazioni richiedono il raggiungimento dei 600,000 cicli specificati e che di conseguenza il fattore di sicurezza e il rapporto D/d potrebbero essere inferiori. Per il produttore di ascensori, un'altra possibilità per ridurre i costi è ridurre il numero di funi in un'installazione di ascensori. In questo caso dovrebbero essere impiegate funi con un carico di rottura maggiore. Varie alternative per ottenere una maggiore resistenza alla rottura nelle funi sono già state identificate dall'autore in altre pubblicazioni^[5,6,7]. Un aumento del carico di rottura può essere ottenuto, ad esempio, utilizzando filo con un carico di rottura maggiore. Tuttavia, questo obiettivo è limitato anche dai requisiti della norma DIN EN 12385[8], che specifica una resistenza alla trazione massima del filo di 1770 N/mm2.

Oltre i limiti

In caso di superamento dei limiti definiti dalla EN 81-1 o dalla DIN EN 12385-5, è necessario un certificato di esame del tipo che deve essere rilasciato da un organismo di controllo indipendente, un cosiddetto organismo notificato. Un tale certificato di esame di conformità deve confermare, sulla base di test approfonditi, che i mezzi di sospensione possono essere utilizzati in sicurezza nonostante la deviazione dalle norme.

Ci sono due approcci principali per provare o confermare l'uso sicuro della corda. O si può dimostrare mediante prove che la fune raggiungerà 600,000 cicli nonostante il rapporto di diametro ridotto e che l'età di scarto sarà riconosciuta in modo affidabile, o, in alternativa, si stipula un numero inferiore di cicli di funzionamento con il rapporto di diametro ridotto e ridotto fattore di sicurezza sulla base di prove e analisi statistiche. Esistono già certificati di esame del tipo per entrambe queste possibilità.

Con il secondo approccio si presta la dovuta attenzione all'aspetto della sicurezza prescrivendo un numero ridotto di cicli di intervento della fune se si applica un coefficiente di sicurezza inferiore a quello prescritto dalla EN 81-1. Per garantire il rispetto di questo conteggio delle corse, il costruttore dell'ascensore deve adottare misure aggiuntive per garantire il funzionamento sicuro dell'impianto. Il certificato di esame del tipo prevede l'installazione di un contatore di viaggi che disattiva l'impianto dopo aver raggiunto il numero consentito di viaggi. Utilizzando questo approccio, è possibile un rapporto D/d di 25 (la EN 81-1 prescrive un rapporto D/d minimo di 40).

Può essere discutibile se questo tipo di riduzione del diametro della puleggia motrice sia o meno sensato. Dall'esperienza passata e da una serie di test sulla durata a fatica, è stato stabilito che la riduzione del rapporto D/d ridurrà la durata della fune. Secondo Vogel^[9]«Riducendo il rapporto D/d da 40 a 33... si riduce già la durata utile delle funi di un fattore pari a 2.5». Vogel prosegue spiegando che «per una fune di riempimento 8 x 19 con anima in fibra e diametro nominale d = 12 mm... il numero di cicli di flessione con un fattore di sicurezza della fune n = 12 aumenta di circa 8 volte se il rapporto di diametro viene aumentato da D/d = 25 a 40».

Anche se è certamente necessario fare una distinzione nel modo in cui vengono valutate in dettaglio le diverse costruzioni di funi, la conclusione da trarre dai risultati di Vogel's è che una riduzione crescente del rapporto diametri D/d corrisponde chiaramente a una vita utile sempre più ridotta. Ciò significa che la riduzione del rapporto D/d da 33 a 25 riduce la vita utile del doppio rispetto a una riduzione del rapporto D/d da 40 a 33. Di conseguenza, il fattore di sicurezza richiesto secondo EN 81-1 aumenta notevolmente . Se l'obiettivo è ridurre al minimo il fattore di sicurezza, ciò comporterà inevitabilmente i costi aggiuntivi necessari per il montaggio di un contatore di viaggi nell'impianto dell'ascensore.

Prima di prendere la decisione di utilizzare una puleggia di trazione molto piccola e presumibilmente economica, è necessario considerare i seguenti aspetti: Diminuire le dimensioni della puleggia equivale a ridurre la coppia. Allo stesso tempo, la puleggia di trazione esegue più giri alla stessa velocità dell'ascensore, provocando un aumento della temperatura della puleggia. Ad ogni passaggio, la fune passa sulla stessa area della scanalatura più frequentemente rispetto a quando si utilizza una puleggia grande, il che significa una maggiore abrasione. Poiché i sistemi di azionamento per pulegge di trazione con un diametro di 150 e 200 mm hanno spesso le stesse dimensioni complessive, non si ottiene alcun risparmio in termini di spazio di installazione.

Per le sue funi PAWO 6.5 W + IWRC da 819 ​​mm e PAWO F6.0 da 3 mm, Gustav Wolf dispone di certificati di esame del tipo che attestano il loro utilizzo su pulegge di diametro ≥ 200 mm senza ulteriori misure di installazione costose. Per ottenere questi certificati di esame del tipo, sono stati condotti test completi del ciclo di vita alla flessione per lo scenario peggiore. Le funi sono state testate nella scanalatura tonda sottosquadro con un angolo di sottosquadro di 98° e nella scanalatura a V con una scanalatura a V di 40°. Le prove di fatica a flessione sono state eseguite con fattore di sicurezza 12. In entrambi i casi è stata chiaramente individuata l'età di scarto delle funi, per cui il numero di corse ha superato la soglia di 600,000. L'età di scarto è stata determinata in base al numero di rotture del filo ammesse secondo DIN 15020[10] o dopo una riduzione del diametro della fune superiore al 6% secondo ISO 4344[11]. È noto che il conteggio dei viaggi in scanalature più "corde friendly" aumenta.

Ciò è evidente anche dal fattore del ciclo di flessione fN3, secondo Feyrer (Figura 1). Di conseguenza, le funi possono essere utilizzate anche in scanalature con un angolo di sottosquadro ≤ 98° e in scanalature con una scanalatura a V con ≥ 40°. Le funi che corrono in scanalature rotonde in una puleggia di 200 mm di diametro, il viaggio raggiunto conta molto al di sopra di quelle che corrono in scanalature profilate. Anche con diametri di puleggia inferiori a 200 mm con scanalature tonde, è possibile ottenere più di 600,000 cicli di piegatura prima che venga raggiunta l'età di scarto.

Sintesi

Nella pianificazione di un impianto di ascensore, tutti i fattori che influenzano i costi devono essere attentamente considerati l'uno contro l'altro. La tendenza verso installazioni compatte riduce i costi di approvvigionamento. Allo stesso tempo, l'adozione di pulegge di trazione più piccole riduce la durata delle funi metalliche e delle pulegge di trazione. Questa reciproca interazione tra fune e puleggia deve essere presa in considerazione nel processo di pianificazione. In caso contrario, le installazioni degli ascensori diventeranno più costose a causa della necessità di successive modifiche.

Se un impianto di ascensore che utilizza funi sottili non è conforme ai valori limite della norma EN 81-1, tale non conformità deve essere compensata dal rispetto dei requisiti dei certificati di collaudo. Di conseguenza, la risposta alla domanda sull'applicabilità delle funi sottili per gli impianti di ascensore dovrebbe essere: Sì, ma... le valutazioni dovrebbero concentrarsi non solo sul risparmio e sulla minimizzazione dei costi, ma anche sulla sicurezza di funzionamento dell'impianto.

Referenze
[1] DIN EN 81-1:1998+A3:2009(D)
[2] Feyrer, K. Drahtseile – Bemessung, Betrieb, Sicherheit Springer, Auflage, 2000, S. 265-268
[3] Singenstroth, S. Drahtseile leben begrenzt Sonderdruck aus Drahtwelt, Vogel-Verlag, 9/1981
[4] Schiffner, G. EN 81-1 Anhang N: Die Ermittlung des Sicherheitsfak-tors von Tragseilen Lift-Report, Heft 2/2000, S. 52
[5] Wolf, E., Franz, A. Seilentwicklung für Aufzugsanlagen Lift-Report, Heft 5/2005, S. 28-32
[6] Wolf, E., Franz, A. Sviluppo delle funi per ascensori ELEVATOR WORLD, marzo 2006, S. 122-126
[7] Wolf, E., Franz, A. Weiterentwicklung erprobter Tragmittel im Aufzugsbau Lift-Report, Heft 2/2009, S. 26-32
[8] DIN EN 12 385-5:2002/AC: 2005(D)
[9] Vogel, W. Quo Vadis Seillebensdauer, Lift-Report, Heft 5/2007,
P.54-59
[10] DIN 15 020 Blatt 2:1974
[11] ISO 4344:2004