Trazione per il personale sul campo, prima parte

La perdita involontaria di trazione, derivante dal deterioramento dei componenti, ad esempio, è molto pericolosa e può consentire a un ascensore di muoversi in modo incontrollato. Quattro fattori determinano e controllano la trazione:

1. Il rapporto di trazione tra auto e contrappeso
2. L'area di contatto delle funi di sollevamento sulla puleggia motrice
3. Il coefficiente di attrito/fattore di attrito tra le funi di sollevamento e la puleggia motrice
4. Accelerazione/decelerazione

Questo articolo fornisce informazioni sui requisiti di trazione per evitare che si verifichi una perdita di trazione a causa di usura inosservata e manutenzione, ispezione e test inadeguati. Come fanno i membri della sospensione a non scivolare su una puleggia di trazione? Quale forza di trazione impedisce alle funi di scivolare sulla puleggia dal carico del vagone vuoto a un'auto a pieno carico? Il mantenimento della trazione rientra nella manutenzione degli ascensori.

obiettivi formativi

Questo articolo di formazione continua fornirà l'istruzione necessaria per il personale degli ascensori che lavora su ascensori elettrici per comprendere l'importanza delle condizioni dei componenti, i requisiti del codice, la misurazione e il test della trazione per garantire il massimo livello di sicurezza. In questo articolo il lettore imparerà:
♦ La manutenzione sugli organi della sospensione è prevista dal codice.
♦ La manutenzione deve includere la misurazione della fune e delle pulegge a frequenze adeguate per garantire la conformità.
♦ I tipi di attrito e come si applicano agli ascensori
♦ Quali scanalature della puleggia vengono utilizzate nell'industria degli ascensori
♦ Come un verricello può aiutare a visualizzare la forza di trazione

Questo corso è diviso in due parti: la prima parte saranno i principi della trazione a un livello che un meccanico dovrebbe comprendere; La seconda parte riguarderà i componenti utilizzati nei sistemi di ascensori che forniscono una trazione sicura. Verranno applicati i principi della trazione e verranno spiegati gli indicatori dei problemi di trazione, come testare la trazione e i requisiti del codice per garantire che non si verifichi il degrado della trazione.

Tutti i componenti principali di ascensori, scale mobili, tappeti mobili e montavivande hanno requisiti di progettazione nel codice. Il codice negli Stati Uniti e in Canada è ASME A17.1/CSA B44. I tecnici e i meccanici sul campo non hanno esperienza di progettazione e non sono responsabili della progettazione, ma conoscere le basi del design può aiutare a capire cosa sta succedendo.

Requisiti di progettazione

I requisiti del codice A17.1/B44 richiedono che la trazione sia fornita, mantenuta, testata e riparata se i componenti mostrano segni di non conformità. Per comprendere le applicazioni di trazione in un sistema di ascensori, è utile metterlo in relazione prima con qualcosa che sperimentiamo e identificare i principi in gioco.

Nel caso più semplice, quando parcheggi il tuo veicolo su una collina e inserisci il freno di emergenza, deve esserci una certa forza che impedisce che scivoli lungo la collina. Il freno di emergenza non è la forza che fornisce l'interfaccia di attrito strada/gomma, sebbene l'attrito impedisca la rotazione delle ruote con un'interfaccia pastiglia freno/superficie del freno. Anche l'attrito del pneumatico montato sulle ruote impedisce al pneumatico di girare sulla ruota, ma l'interfaccia gomma/strada è dove è necessaria la trazione per evitare che il veicolo scivoli giù per la collina sulla superficie stradale.

La forza inerente al pneumatico e alla superficie stradale impedisce al veicolo di scivolare giù per la collina. Se lasci cadere una penna a inchiostro sulla stessa ripida collina in cui parcheggi il tuo veicolo, non c'è una trazione inadeguata per fermare e tenere la penna, ma il veicolo rimane parcheggiato come una roccia. Perché uno si ferma e non l'altro? Attrito.

L'attrito è una componente della scienza della tribologia. L'attrito è la forza che resiste al moto relativo tra due superfici solide, strati fluidi ed elementi materiali che scorrono l'uno contro l'altro. Esistono diversi tipi di attrito:

• L'attrito a secco resiste al movimento laterale relativo di due superfici solide in contatto. L'attrito a secco è suddiviso in attrito statico ("attrito") tra superfici fisse e attrito cinetico tra superfici in movimento.
• L'attrito del fluido descrive l'attrito tra gli strati di un fluido viscoso che si muovono l'uno rispetto all'altro.
• L'attrito lubrificato descrive l'attrito del fluido in cui un fluido lubrificante separa due superfici solide.
• L'attrito della pelle è una componente della resistenza, la forza che resiste al movimento di un fluido attraverso la superficie di un corpo.
• L'attrito interno è la forza che resiste al movimento tra gli elementi molecolari che costituiscono un materiale solido mentre subisce una deformazione.

Gli ascensori utilizzano i principi dell'attrito a secco quando si considera la relazione di attrito tra gli elementi di sospensione (funi o cinghie) contro una puleggia di trazione azionata da un motore elettrico. Le masse squilibrate sospese su ciascuna estremità degli elementi di sospensione (auto e contrappeso) creano una forza normale variabile (la forza di appoggio esercitata su un oggetto a contatto con un altro oggetto stabile) misurata in Nm2 (Newton per metro quadrato), kPa (kilopascal) o psi (lb./in.2) sulla puleggia di trazione. 1 psi = 6,895 Pa o 6.9 kPa.

Come il punto in cui la gomma incontra la strada nell'esempio di un veicolo parcheggiato, questo articolo riguarderà il punto in cui gli elementi della sospensione entrano in contatto con la puleggia e la forza risultante che impedisce al contrappeso più pesante di trascinare l'auto vuota nell'auto sopraelevata o a pieno carico da trascinando il contrappeso più leggero nella parte superiore (trazione di slittamento).

L'attrito è un valore adimensionale creato dalle proprietà fisiche quando due superfici si toccano e le forze vengono applicate alle due superfici in direzioni diverse. È una forza variabile che cambia in base ai materiali, ai carichi, alla lubrificazione, ecc. Poiché ci sono più elementi, insieme, hanno proprietà variabili e un coefficiente di
attrito.^[1]

L'attrito a secco deriva da una combinazione di materiali, adesione intersuperficiale, rugosità superficiale, deformazione superficiale e contaminazione superficiale. La complessità di queste interazioni rende impraticabile il calcolo dell'attrito e rende necessario l'uso di test empirici (nel mondo reale) per l'analisi e lo sviluppo della teoria. Leonardo da Vinci scrisse le prime regole registrate sull'attrito radente dopo tali test empirici. Ulteriori test sono stati documentati da Guillaume Amontons e hanno portato alla Prima Legge di Amontons: la forza di attrito è direttamente proporzionale al carico applicato.

Non importa quanto la superficie sia liscia o appaia, ci sarà sempre una certa quantità di frastagliature - punti alti e bassi a livello molecolare - chiamati asperità. Come mostrato nella Figura 1, entrambe le superfici hanno aree alte e basse. Un classico esempio a scala macroscopica è la carta vetrata: più alto è il valore della grana, più piccole e vicine sono le asperità. Per la carta vetrata, le caratteristiche delle asperità sono una funzione dei materiali utilizzati per modellarla.

La presenza di contaminanti e lubrificanti influisce sul comportamento del rapporto di attrito delle superfici. Pensa ancora a una gomma sulla strada: su fondo stradale asciutto c'è un attrito maggiore, ma se è presente olio, c'è un attrito inferiore, perché i vuoti nelle asperità si riempiono e gli oli possono creare palle rotolanti di liquido , eliminando la natura bloccata delle asperità.

Continuando con la figura 1, se solo i punti più alti dei due materiali si toccano, quella che può sembrare l'intera superficie a contatto è, infatti, sostanzialmente non a contatto. Quando i materiali vengono premuti più vicini tra loro con una forza, c'è una maggiore interazione di bloccaggio dei materiali a causa degli alti punti di deformazione o rottura del materiale, creando più incastri di asperità. Le connessioni bullonate utilizzano questa proprietà; maggiore è la coppia del bullone, maggiore è l'attrito a secco che impedisce lo scivolamento della connessione bullonata.

Poiché le asperità sono invisibili ad occhio nudo, gli scienziati hanno continuato a testare diversi materiali e le loro qualità, e la sua ulteriore sperimentazione ha portato Amonton alla sua seconda legge di attrito: la forza di attrito è indipendente dall'area apparente di contatto. Oggi sappiamo che il coefficiente di attrito e l'attrito disponibile a volte cambiano. Tuttavia, secoli fa, test empirici hanno mostrato che l'attrito poteva variare con diverse aree di contatto, a seconda dei materiali testati e delle forze variabili applicate.

Due tipi di attrito a secco sono statico e scorrevole (cinetico). Ciò ha anche confuso i primi scienziati nella comprensione della relazione di attrito. Dati gli stessi materiali e le stesse forze applicate, l'attrito statico era sempre maggiore dell'attrito radente. Ad esempio, se un'auto è ferma, quindi accelerando, l'auto si muoverà quando la trasmissione fa girare le gomme, ma, se si spara al motore e si fanno girare le ruote, l'auto non si muoverà più velocemente. Il primo è l'attrito statico e il secondo è l'attrito radente. Questo è stato definito da Charles-Augustin de Coulomb, che ha sviluppato la legge di attrito di Coulomb: l'attrito cinetico è indipendente dalla velocità di scorrimento.

All'interno di un'area di contatto, l'attrito a secco è anche noto come "attrito di Coulomb". Coulomb ha sviluppato la seguente formula per calcolare la forza di attrito comunemente usata oggi.^[3]

F_f ≤ µF_n                 (Equazione 1)

dove F_f = la forza di attrito parallela alle superfici in direzione opposta alla forza netta applicata, µ = il coefficiente di attrito, una proprietà dei materiali a contatto, e F_n = la forza normale esercitata da ciascuna superficie sull'altra perpendicolare alla superficie.

Lo sviluppo di un valore per il coefficiente di attrito è semplicemente illustrato con il piano inclinato e il suo disegno a corpo libero sottostante (Figura 2). La superficie del piano inclinato è un materiale e la scatola scorrevole è un altro. È contrappeso in questo esperimento per controllare le forze di movimento.

Il coefficiente di attrito è un valore empirico (osservato o misurato). Oggi i libri di testo sui materiali e le proprietà meccaniche forniscono tabelle dei coefficienti di attrito per i materiali comuni. Per il nostro scopo in questo corso, useremo un tipico acciaio da trazione su una puleggia in ghisa; quel valore è generalmente 0.08-0.1, con un valore utilizzato nella progettazione di 0.09.^[4-6]

Un coefficiente di attrito pari a zero indicherebbe assenza di attrito. Teflon su Teflon può avere un coefficiente di attrito fino a 0.004. La maggior parte delle combinazioni di materiali secchi ha un coefficiente di attrito compreso tra 0.3 e 0.6. Le superfici rivestite in gomma siliconica o acrilica hanno un coefficiente di attrito che può essere sostanzialmente maggiore di 1. La gomma, a contatto con altre superfici, può avere coefficienti di attrito da 1 a 2. Quando il valore è maggiore di 1, implica che la forza richiesta per spostare (spingere o tirare) un oggetto lungo la superficie è maggiore della normale forza applicata alla superficie di scorrimento sull'oggetto. Maggiore è il valore, maggiore è l'attrito.

Se un blocco di materiale di 10 kg (22 libbre) viene tirato su una superficie e il coefficiente di attrito (µ) è 1, è necessaria una forza di almeno 98 N (22 lbf) per spostare l'oggetto. Dall'equazione 1 si ottiene:

F_f ≤ 1 * 98N (Equazione 2)

F_f ≤ 98 N.

Se un blocco di materiale di 10 kg (22 libbre) viene tirato su una superficie e il coefficiente di attrito (µ) è 0.5, è necessaria una forza di almeno 49 N (11 lbf) per spostare l'oggetto. Così:

F_f .5 * 98N 

F_f ≤ 49 N.

Se un blocco di materiale di 10 kg (22 libbre) viene tirato su una superficie e il coefficiente di attrito (µ) è 09, è necessaria una forza di almeno 8.8 N (2 lbf) per spostare l'oggetto. Usando l'equazione 2:

                          
F_f  .09 * 98N

F_f  8.8N

Ciò che indica è che il coefficiente di attrito acciaio-ghisa nella trazione dell'ascensore appare vicino all'estremità scivolosa dell'intervallo, intorno a 0.09. Deve succedere qualcos'altro. Un fattore sono le masse coinvolte: ad esempio, se un sistema di ascensore ha 50 kN (11, 240 lbf) di massa, aumenta anche la forza di attrito necessaria per spostare l'oggetto. Usando l'equazione 2:

F_f  .09 * 50,000N  
F_f  4,500N

Altri fattori sono l'angolo di avvolgimento o l'arco di contatto attorno alla puleggia e il tipo di profilo della scanalatura.

La trazione disponibile di una puleggia con fune tonda in acciaio si ricava dalla seguente equazione:

α = e^fa                    (Equazione 3)

where α = trazione disponibile delle scanalature della puleggia motrice in caso di slittamento della fune imminente; e = base dei logaritmi naturali (2.71828); f_a = il coefficiente di attrito apparente, che incarna il coefficiente di attrito effettivo e la forma della scanalatura; e θ = arco di contatto sotteso da funi di sospensione e puleggia motrice (rad).

In parole povere, e è una costante fissa; gli esponenti sono f_a, un valore; e θ è l'angolo di avvolgimento, ad esempio un avvolgimento diritto di 180° (3.141 rad) di avvolgimento. Se c'è un esponente più piccolo, c'è meno trazione disponibile; se c'è un esponente più alto, c'è una maggiore trazione disponibile. Questa è l'equazione di base per una puleggia con scanalatura a U. Le richieste di trazione negli ascensori ad alta velocità richiedono più trazione. Se tutte le variabili sono fisse, come potremmo aumentare? a?

Negli anni '1920, Frederick Hymans (ELEVATOR WORLD, febbraio e marzo 2017)^[3] e AV Heilborn hanno studiato l'interfaccia di trazione nelle scanalature d'acciaio e nelle funi d'acciaio e hanno scritto il libro fondamentale che tutte le aziende di ascensori a trazione oggi usano per insegnare agli ingegneri come determinare la forza di trazione che non causerà lo slittamento nei progetti di ascensori. Der neuzeitliche Aufzug mit Treibscheibenantrieb (L'ascensore moderno con trazione) è stato pubblicato nel 1927.^[7] Senza tale ricerca, è probabile che i grattacieli non sarebbero stati possibili e il mondo sarebbe limitato a sistemi bassi ea bassa velocità.

In termini di trazione disponibile, il µ non cambia, ma il fattore di attrito può cambiare a causa dell'aumento della pressione della fune quando il materiale della scanalatura viene rimosso nella scanalatura della puleggia, come in una scanalatura a U sottosquadro. Questo ci porta all'equazione finale per la trazione:

T²/T¹ = e^fa          (Equazione 4)

where T₁ = la maggiore tensione della fune di sollevamento (N o lbf), T₂ = la minore tensione della fune di sollevamento (N o lbf), e = base dei logaritmi naturali (2.71828), f_a = coefficiente di attrito apparente (adimensionale), e θ = angolo di avvolgimento o arco di contatto (rad). Questa formula considera intrinsecamente il carico in movimento dell'ascensore; la maggiore tensione della fune può verificarsi nelle funi di sollevamento sia dal lato cabina che dal lato contrappeso.

Prendendo gli elementi fisici, funi e pulegge, mettendo carichi su entrambe le estremità di pesi variabili, testando e misurando il coefficiente di attrito per definire i limiti della variazione del carico è iniziata nel 1800. Dato il basso coefficiente di attrito, erano probabili alcune rotture, come lo scorrimento dei carichi, in accelerazione fino a quando i terminali incontravano la massa con rumore clamoroso e flessione dei componenti. Sperimentatori e teorici come Hymans hanno iniziato a definire questa relazione di trazione fino a quando ora abbiamo ascensori che si muovono a 18 mp (3,600 fpm), in modo sicuro e senza errori. (Per convertire da fpm a mps, moltiplicare mps per 200; ad esempio: 1 mps = circa 200 fpm.)

Infine, la forza di trazione è completamente descritta come un valore quando viene stabilito il profilo della scanalatura. Con un µ che non cambia, l'angolo di avvolgimento può essere aumentato, ma solo di un punto. In un modello, la fune si avvolge a oltre 270° e le funi si intrecciano (Figura 3). Questo nuovo design di trazione a avvolgimento lungo (LWT) Otis sembra introdurre un leggero angolo di flottazione e l'aspetto di una curvatura inversa, entrambi i quali possono avere effetti negativi sulle funi metalliche. Più precisamente, l'angolo di flottazione è causato dalla posizione del grillo della fune più lontano nella sua posizione del punto di attacco della macchina rispetto alla posizione corrispondente della scanalatura della fune sulla macchina. Ci sarà un pareggio sia in avanti che lateralmente nel design LWT e varia da una corda all'altra. Il tiraggio laterale provoca l'usura di un lato della scanalatura più dell'altro e porta ad una riduzione della trazione disponibile nelle scanalature. L'inclinazione delle funi nella disposizione LWT causa l'usura laterale della scanalatura nelle scanalature della puleggia. Sebbene non possa essere eliminato, può essere controllato. I principali produttori hanno limiti interni sulla quantità di pareggio in avanti e/o laterale. 

L'angolo di flottazione (Figura 4) provoca una coppia in una fune, avvolgendo la fune più stretta su un lato e svolgendo la fune sull'altro lato. Inoltre, aggiunge un'abrasione alla puleggia e alla fune, riducendone la vita. Quando si costruisce un ascensore elettrico, occorre prestare attenzione per garantire che non esista un angolo di flotta significativo.

Quando la trazione richiesta supera la trazione disponibile su una puleggia con scanalatura a U (ad esempio, quando non è possibile aumentare l'angolo di avvolgimento), le scanalature possono essere modificate e le pressioni specifiche aumentate forniscono una maggiore trazione disponibile. La trazione extra risultante ha dei compromessi che vanno oltre questo articolo; tuttavia, le scanalature tipiche, le relative formule di trazione e i relativi coefficienti di attrito apparenti sono mostrati nella Figura 5. Tutti i meccanici e i tecnici dovrebbero avere un'idea di questo materiale in modo che quando si riordina la fune, la conoscenza di base assicurerà che la fune errata non sia installata , con conseguente riduzione della durata della fune e della puleggia.

L'interazione delle funi di sospensione e della puleggia è simile in funzione a quella del pneumatico sulla superficie della strada; deve fornire una trazione sufficiente per evitare lo slittamento, ma non troppo. (Esistono altri sistemi di sospensione, ma questa serie di articoli rimarrà focalizzata sulla trazione di un ascensore elettrico utilizzando funi metalliche con brevi menzioni di altri tipi di design di elementi di sospensione nella seconda parte.)

Argano del cabestano

Uno strumento comune utilizzato ogni giorno dal personale degli ascensori nella costruzione è il verricello del cabestano (Figura 6) che aiuterà a visualizzare la forza di trazione. Questo lo rende un dispositivo ideale, poiché l'esperienza pratica può essere correlata alla teoria. Quando si utilizza un argano, il numero di giri della fune attorno al verricello consentirà una forza di tenuta molto inferiore per evitare che il carico scivoli.

Il carico è espresso come T_caricare, e la forza di tenuta è espressa come T_tenere. Più si gira la corda, più cambia il rapporto tra queste forze; l'aumento della forza di tenuta è un valore esponenziale aggiunto al T_tenere vigore.

La forza di attrito della fune cambia a causa del coefficiente di attrito, della tensione nella fune e dell'angolo di contatto totale. L'unica variabile che può cambiare è θ, l'angolo di avvolgimento o il numero di giri di fune sul cabestano.

T_caricare ≤ T_tenere ^eμ_θ                     (Equazione 5)

dove_caricare = forza esercitata sulla fune dal carico, T_tenere = forza di tenuta esercitata sulla fune dal tecnico, e = base dei logaritmi naturali (2.71828), µ = coefficiente di attrito statico tra fune di sospensione e scanalatura della puleggia, e θ = arco di contatto sotteso dalla fune (rad).

Conclusione

I progetti di trazione sono progettati con cura, ma come ha dimostrato questo articolo, le complessità e le relazioni meccaniche sono fondamentali per mantenere la forza di trazione e prevenire la perdita di trazione.

Qualsiasi ascensore elettrico con particelle metalliche sotto una puleggia richiede attenzione: quelle particelle vengono macinate dalla puleggia e sta cambiando il rapporto di trazione. La seconda parte spiega quali componenti richiedono manutenzione e test.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 153 di questo fascicolo.
♦ Che cos'è l'attrito e quali sono i suoi diversi tipi?
♦ Cosa ci consente di fare la Legge dell'attrito di Coulomb per la misurazione della forza di attrito?
♦ Come si trova la trazione disponibile di una puleggia con fune tonda in acciaio?
♦ Qual è considerato il libro fondamentale per determinare la forza di trazione che non causerà lo slittamento nei progetti di ascensori?
♦ Cos'è la forza normale?

Referenze
[1] Wikipedia. “Tribologia” (en.wikipedia.org/wiki/Tribologia).
[2] Wikipedia. "Guillaume Amontons" (en.wikipedia.org/wiki/Guillaume_Amontons).
[3] Gibson, George W. "Fred Hymans and the Theory of Rope Traction", EW, febbraio e marzo 2017.
[4] CEN EN 81-1:2004. "M.2 Calcolo della trazione", "M.2.2 Valutazione del fattore di attrito", "Clausola M.2.2.2 Considerazione del coefficiente di attrito".
[5] Pfeifer Drako Drahtseilwerk GMBH & Co. KG. "Funi metalliche negli ascensori", settembre 2015, p. 32.
[6] Sollevamento di Brugg. "Funi metalliche in acciaio negli ascensori", 0214, 2013, p. 139.
[7] Hymans, F. e Hellborn, AV Der Neuzeitliche Aufzug mit Treibscheibenantrieb. Berlino, editori Springer, 1927.
[8] Dott. Stephen W. Attaway. "La meccanica dell'attrito nel soccorso su corda", Simposio internazionale di soccorso tecnico (ITRS 99).