Asansör Kılavuz Ray Braketlerinin Tasarım Parametreleri ve Gerilme Analizi

Bu mühendislik araştırması, kılavuz rayların çeşitli yönlerine ve asansör güvenliği için ne kadar önemli olduklarına bir bakış sağlar.

Serhat Koç, Dr. C. Erdem İmrak ve Sefa Targit

Özet

Asansör sistemleri çok fazla bileşenden oluşur ve kılavuz raylar asansör güvenliği açısından en önemlileridir. Güvenli, sorunsuz ve konforlu bir seyahat için kılavuz ray braketi, kılavuz raylarla birlikte en önemli bileşenlerden biridir. Kılavuz rayları duvara monte etmek için kılavuz ray braketleri kullanılır. Bu çalışmada, farklı yükleme durumları ve analiz edilen kılavuz ray braketleri ve klipsleri için kılavuz ray hesaplama sonuçları yorumlanmıştır.

1. Giriş

Pratikte, kabinin kılavuz rayları, kuyunun tepesinde (asma kılavuz rayı) veya çukurda olmak üzere iki farklı şekilde sabitlenir ve kılavuz ray braketleri, rayı desteklemek için ray boyunca birbirinden düzenli mesafelerde konumlandırılır. Kılavuz ray hesaplamalarında güvenlik cihazı işlemleri önemlidir (Day, 2000; İmrak ve diğerleri, 2006). Bu işlemde arabayı düzenli olarak çukura sabitlemek çok önemlidir. Kılavuz ray, emniyet tertibatının çalışması sırasında kuyuya düzgün bir şekilde sabitlenmemişse, kılavuz ray braketleri aşırı dikey yüklere maruz kalır. Bu çalışmada bu durumlar ABAQUS/CAE 6.6-1 yazılımı ile sonlu elemanlar analizi kullanılarak modellenmiş ve statik davranışı analiz etmek için kılavuz ray braketleri üzerindeki gerilme dağılımı elde edilmiştir (Koç, 2009).

Asansör kılavuz rayları ve çevre birimleri ile güvenlik tertibatları, asansör sisteminin yüksek güvenlik gereksinimleri gerektiren en önemli bileşenleridir. Normal şartlar altında, kılavuz raylar basitçe asansörlerin kat ettiği ve asansör kabinlerine uygulanan yük ve kuvvetlerden korunduğu varsayılan asansör yollarını tanımlar (Demirsoz ve diğerleri, 2005). Asansör hareketi sırasında, özellikle kabin iyi dengelenmişse ve yük iyi dağıtılmışsa, kuvvetler nispeten düşük olacaktır. Raylara uygulanan diğer yükler ise acil durumlarda güvenlik tertibatı çalışmasından olacaktır (Targit, 2002). Uygulanan yükler, güvenlik tertibatı tipine bağlı olarak çok yüksek olabilir (Imrak et al 2006).

Asansör kılavuz rayları ve güvenlik tertibatları hakkında (Imrak ve diğerleri 2008a) tartışıldığı gibi önemli araştırma çalışmaları yapılmıştır. Ancak literatürde kılavuz ray braketleri ve klipsleri ile ilgili sınırlı sayıda çalışma yayınlanmıştır.

2. Kılavuz Ray Braketi

Asansör sistemleri tipik olarak bir asansör boşluğu içinde dikey yönde hareket eden bir asansör kabini içerir. Tipik olarak, bir asansör sistemi, bir binanın katları arasındaki hareket sırasında bir asansör kabinini ve karşı ağırlığı yönlendirmek için bir kaldırma yolu içine monte edilmiş kılavuz rayları içerir. Kılavuz raylar, montaj braketleri ile asansör boşluğu duvarlarına veya yapısal kirişlere sabitlenir. Montaj braketleri, kılavuz rayı desteklemek için kılavuz ray boyunca belirli aralıklarla birbirinden ayrılır ve yeterince rijit bir montaj sağlanır (Koç, 2009).

Bir asansör kabinini aralarında ortalayabilen bir çift asansör kılavuz rayını bir asansör boşluğuna yerleştirmek için bir asansör rayı montaj sistemi, açısal kısmı sabitlemek için asansör boşluğuna giriş tarafından ayarlanabilir bir mesafede monte edilebilen L şeklinde bir braket içerir. Asansör kabini ile durak eşiği arasında sabit bir çalışma mesafesi sağlamak ve asansör kabini ile salon kapısı çerçevesinin düzgün hizalanmasını sağlamak için kılavuz raylar, bir durak eşiği ve bir salon kapısı çerçevesi arasındaki ilişkiler ve mesafeler.

L-şekilli braket, asansör boşluğunun giriş tarafından esasen ona bitişik ve paralel olarak monte edilen yatay ve dikey olarak ayarlanabilen bir çapraz eleman içerir. Önceden belirlenmiş bir mesafe ile birbirinden ayrılmış ve traversten dikey olarak asansör boşluğuna uzanan bir çift paralel ray braketi, asansör boşluğunun giriş tarafına büyük ölçüde paralel olan dikey bir düzlemde kılavuz rayları destekler ve kılavuz raylar arasındaki mesafeyi önceden belirlenmiş sabit bir değer

En az bir gövde parçası, ray klipsleri ve sıkıştırma elemanları içeren kılavuz sabitleme braketi olup, karakterize edici özelliği, kılavuz raylardan en az birinin kılavuz sabitleme braketleri vasıtasıyla yerine sabitlenmesidir. Kılavuz sabitleme braketi, ray klipslerini sabitlemek ve sıkmak ve en az bir kılavuz rayı yerinde tutmak için tercihen bir cıvata olmak üzere en az bir sıkma elemanına sahiptir ve kılavuz sabitleme braketinin sabitlenecek bir kılavuz ray için yalnızca bir sıkma elemanına sahip olması. Kılavuz sabitleme braketi St37'den imal edilmiş olup, kılavuz raylar için montaj yerleri bulunan ve gövde kısmına takılabilen en az bir destek plakası içerir.

Kılavuz ray, tipik olarak, duvara veya yapısal kirişlere sabitlenen montaj dirseklerine sabitlenmiş bir flanş kısmına sahip olan T-şekilli bir kiriştir. Montaj braketleri tipik olarak, kılavuz rayın duvara veya asansör kuyusu içindeki başka bir yapısal kirişe sabitlenen kısmıyla örtüşen ray klipslerini içerir. Montaj dirsekleri ve iki ray klipsi, kılavuz rayın flanş kısmını asansör boşluğu içindeki bir iç duvara veya yapısal kirişe sabitler, yakalar ve kelepçeler.

Montaj sırasında, kılavuz rayı yerine sabitlemek için braketler sabitlenmeden önce kılavuz ray uygun bir montaj konumuna getirilmelidir. Braketler genellikle kılavuz rayın hareketi ile dönerek, klipslerin kılavuz raya karşı istenmeyen bir şekilde bükülmesine ve kilitlenmesine neden olur. Ayrıca, kılavuz rayın hizalama için hareketi ve kılavuz raydaki tutarsızlıkları telafi etmek için geleneksel ray klipsleri ile kolayca uyum sağlanmaz.

Buna göre, farklı boyuttaki kılavuz rayları barındıracak şekilde ayarlanabilen ve bir asansör boşluğu içinde kuruluma yardımcı olmak için kılavuz raya hareketli bir şekilde sabitlenebilen bir montaj braketinin geliştirilmesi ve tasarlanması arzu edilir.

3. Sistemin Modellenmesi

Sonlu elemanlar yöntemi, mühendislikteki çeşitli problemlere çözümler elde etmek için uygulanabilen sayısal bir prosedürdür. Kılavuz raylarda yaşanan gerilmelerin doğru tahmini, ancak hesaplamalı mühendislik tekniklerinin uygulanmasıyla elde edilebilir. Ray ve braketleri yönlendirmek için sonlu eleman çözümleri, esas olarak gerilmelere statik iki boyutlu yaklaşımları oluşturur (Moaveni, 1999). Kılavuz ray ve braket sisteminin emniyet tertibatı çalışması sırasındaki statik davranışını analiz etmek için bu çalışma için kabin, kılavuz ray ile ilgili gerekli parametreler Tablo 1'de verilmiştir.

Kılavuz raylara etkiyen yükler, inen güvenlik tertibatı çalışması için EN81-1'e göre hesaplanır. Asansör kılavuz raylarının seri üretiminin yapıldığı ASRAY A.Ş.'den alınan asansör kılavuz ray verileri kullanılmıştır.

Sistemin sonlu eleman modeli 37773 düğüm, 16476 dört düğümlü dört yüzlü eleman (C3D49) ve azaltılmış integrasyona sahip 22736 sekiz düğümlü tuğla eleman (C3D8R) olmak üzere toplam 39212 elemandan oluşmaktadır. Sistemin katı modeli ve sonlu eleman modeli Şekil 1'de gösterilmiştir.

Kılavuz ray, braket ve klipslerin ayrıklaştırılması, CAD yazılımının kitaplığına kaydedilen 3 boyutlu C3D8R sonlu elemanlar kullanılarak gerçekleştirilir. İnce ila orta kalınlıkta kiriş yapılarını analiz etmek için uygun bir elemandır. Bu eleman ayrıca 8 düğümlü lineer tuğlaya ve kum saati kontrolü ile azaltılmış entegrasyona dayanmaktadır. ABAQUS C3D8R elemanı, bir kalınlık elemanı ile hatalıdır ancak bu sayı arttıkça sonuçlar iyileşmiştir.

Sonlu eleman modellemesinde kılavuz ray ve braketler deforme olabilen parça, klipsler ise deforme olmayan rijit parça olarak modellenmiştir. ABAQUS/CAE'de analiz türü olarak açık dinamikler seçilmiştir. Kılavuz ray modelinde kullanılan malzeme St 37'den ve Hooke yasasına göre homojen izotropik elastikten, braket modeli St42'den ve Hooke yasasına göre homojen, izotropik elastikten, klips modeli ise Cm45'ten yapılmış olup malzeme özellikleri verilmiştir. Tablo 2'de verilmiştir (Koç, 2009).

Kılavuz rayın sonlu eleman modeli 6885 düğüm ve 4704 elemana (C3D8R) sahiptir. Benzer şekilde kılavuz ray braketinin sonlu eleman modeli 6680 düğüme ve 4508 elemana (C3D8R) sahiptir. Kılavuz ray braketleri 3 parçaya ayrılır ve sonlu eleman modeli bu parçalara göre kasalanır. Kliplerin sonlu eleman modeli 1042 düğüme ve 4119 elemana (C3D4) sahiptir.

Üretilen sonlu eleman modeli için üç farklı sınır koşulu belirtilmiştir. Bunlar:

1. kılavuz ray braketi ile duvarın kenarı arasında 1 yer değiştirme ve 2 dönüş sıfır alır (U3=UR1= UR2=0)
2. kılavuz ray braketini duvar kenarına sabitlemek için kullanılan cıvatalar için tüm yer değiştirmeler sıfırdır (U1=U2=U3=0)
3. Kılavuz rayın alt kısmı ile kılavuz rayı sabitlemek için çukur arasında, tüm yer değiştirmeler ve dönüşler sıfırdır

4. Sayısal ve Hesaplamalı Sonuçlar

Ray ve konsollara etkiyen yükler ilgili standarda (EN81-1) göre farklı durumlar için hesaplanmıştır; farklı yük dağılımları ile normal kullanım-koşma, normal kullanım-yükleme, alçalan güvenlik cihazı çalışması ve artan güvenlik tertibatı çalışması.

Kuvvetlerin, gerilimlerin hesaplanması ve dolayısıyla kılavuz ray boyutunun seçilmesi ilgili standartta belirtilmiştir. Asansör kuyusu tabanına sabitlenen kılavuz rayların hesaplarında burkulma gerilmeleri yerine çekme gerilmeleri dikkate alınır. (İmrak vd., 2008a)'da belirtilen hususlara göre kılavuz ray hesapları kabul edilmektedir. Bu çalışmada, merkezi kılavuzlu ve askılı kabin konfigürasyonunda yük dağılımı ve ilgili boyutlar Şekil 2'de gösterilmektedir (Imrak ve diğerleri, 2008b).

Kılavuz rayın farklı eksenindeki eğilme gerilmeleri hesaplanırken, aşağıdakiler varsayılabilir:

1. Kılavuz ray, l uzunluğundaki mesafelerde esnek sabitleme noktalarına sahip sürekli bir kiriştir,
2. Bükülme gerilmelerine neden olan kuvvetlerin sonucu, bitişik sabitleme noktaları arasında ortada etki eder,
3. Eğilme momentleri, kılavuz ray profilinin nötr eksenine etki eder

Kılavuz ray, çukurun alt ucunda desteklenir ve kılavuz ray braketleri, kılavuz ray boyunca birbirinden düzenli mesafelerde konumlandırılır (Janovsky, 1999).

Kılavuz ray braketinin stres dağılımını ve sapmalarını analiz etmek için ABAQUS/CAE 6.6-1 yazılımı bir sonlu eleman analiz aracı olarak seçilmiştir. Normal kullanım-çalışma koşulu için gerilme ve deformasyon dağılımları Şekil 3'te gösterilmektedir ve yük dağılımı öndedir.

Emniyet tertibatı operasyonlarında kılavuz rayın kuyuya sabitlenmesinin etkilerini görmek için bu çalışmada başka bir durum incelenmiştir. Tablo 3'te görüldüğü gibi kılavuz ray çukura sabitlendiğinde ve hem gerilme hem de yer değiştirme değerleri izin verilen sınırlar içinde olduğunda dikey yük rayın kendisi tarafından ve kısmen braketler tarafından taşınmaktadır. Farklı bir durum için, kılavuz ray braketlerinin ve kuyu durumuna sabitlenmemesi için klipslerin von Misses stres dağılımı ve yer değiştirmesi Şekil 4'te gösterilmektedir.

Kılavuz ray braketleri ve klipsleri için elde edilen gerilme değerleri ve yer değiştirme değerleri Tablo 3'te verilmiştir. Bu sonuçlar ABAQUS/CAE yazılımından elde edilmiştir.

Tablodan da görüldüğü gibi braketler ve klipsler için en önemli durum güvenlik cihazı işlemleridir. Ancak bu çalışmada, kılavuz ray braketlerinde meydana gelen gerilme değerleri ve yer değiştirme değerleri, tüm yük dağılımları ve durumları için önemlidir.

Çukur durumunda sabitlenmemiş kılavuz ray dikkate alınır ve gerilme ve yer değiştirme değerleri hesaplanır. Tablo 3 ayrıca sabit ve sabit olmayan koşullar için stres ve yer değiştirme değerlerinin karşılaştırmasını da gösterir.

5. Sonuçlar ve Tartışmalar

Bu çalışmada, farklı çalışma durumlarında farklı yükleme dağılımları için asansör kılavuz ray braketleri ele alınmıştır. Sistemin sonlu elemanlar modellemesi ve analizleri ABAQUS/CAE ticari yazılımı kullanılarak yönetilmektedir. Çalışmada yapılan analizler, kılavuz ray braketlerinde meydana gelen gerilme ve yer değiştirme değerlerinin önemli olduğunu ancak en kritik durumların güvenlik cihazı operasyonları olduğunu göstermektedir. Sonuçlar, kılavuz ray ve kılavuz ray braketleri için kılavuz rayın sabitlenmesinin çok önemli olduğunu göstermektedir. Düşey yük çoğunlukla kılavuz ray braketleri tarafından taşınır ve gerilme ve yer değiştirme değerleri izin verilen limitlerin üzerine çıkar. Kılavuz ray, emniyet tertibatı çalışması sırasında dikey hareket payı dikkate alınarak düzgün bir şekilde sabitlenmelidir.

Teşekkür

Bu araştırma, İTÜ Araştırma Fonu tarafından finanse edilen proje çalışmasının bir parçasıdır: Büyük No: 11_06_106 “Tasarım Parametrelerinin İncelenmesi ve Aşamalı Emniyet Dişli Bloklarının Analizi”.

Referanslar
Gün, P. (2000). Binalarda Ulaşım Sistemleri Rehber D, CIBSE, Norwich. Demirsöz, R, İmrak, CE, Targıt, S. (2005). Asansör Kılavuz Raylarının Emniyet Donanımı Çalışması Sırasında Sonlu Eleman Analizi, Asansör Teknolojisi 15, Proc. ELEVCON'2005, s.41-50.
İmrak, CE, Bozdağ, E., Sunbuloğlu, E., Toprak, T., Targıt, S. (2006). Kılavuz Rayların Deneysel Gerilme Analizi, Asansör Teknolojisi 16, Proc. ELEVCON'2006, s.111-119.
İmrak, CE, Bedir, S., Targıt, S. (2008a). Kılavuz Raylar ve Emniyet Dişlilerindeki Gerilmelerin İncelenmesi, Elevator Technology 17, Proc. ELEVCON '2008, s.111-119.
İmrak, CE, Bedir, S., Kayaoğlu, E. (2008b). Güvenlik Donanımı Çalışması Sırasında Kılavuz Raylarda Sonlu Eleman Modelleme ve Gerilme Analizi, Slender Structures Mekaniği Sempozyumu MoSS 2008, Baltimore, ABD.
Janovsky, L. (1999). Elevator Mechanical Design, üçüncü baskı, Ellis Horwood Publ., Londra, 322 s.
Koç, S. (2009). Asansör Kılavuz Ray Braketleri Gerilme Analizi, MSc. Tez, İTÜ, İstanbul.
Moaveni, S. (1999). Sonlu Elemanlar Analizi: ANSYS, Prentice-Hall, New Jersey ile Teori ve Uygulama.
Targıt, S. (2002). Asansör Kılavuz Rayları, Montajı ve Hizalanması, Elevator World Eylül 2002, s.102-105.