Yüksek Hızlı Asansör Makinesi Tasarımı ve Geliştirme

Halat ömrü ve yatakların arızalanması üzerine bir araştırma

Anahtar kelimeler: Yüksek hızlı asansörler, Kalıcı manyetik (PM) motor, Tork, Motor boyutu, Tahrik kasnağı çapı D, Halat çapı d, D ve d oranı, Aşınmış, Yatak arızası, Halat sayısı, Askı halatlarının ağırlığı, Dengeleme halatlarının ağırlığı

Özet

Günümüzde, makine dairesi üstü asansörlerde AC dişli makineler veya DC dişlisiz makineler yerine kalıcı mıknatıslı (PM) motorlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir PM motorunun boyutu, kendisine uygulanan tork ile belirlenir, Tork = Tahrik Kuvveti x Yarıçap. Torku en aza indirmek ve dolayısıyla üretim maliyetlerini düşürmek için tahrik kasnağının yarıçapı mümkün olduğunca küçük olmalıdır.

Geleneksel olarak, kasnağın çapı, halat çapının (d) en az 40 katı olması gereken çelik halatlar standardına dayanır. Ancak, kod ve standart, kalite yerine güvenlik için asgari gerekliliktir, asansörler için kabul edilebilir bir kaliteye sahip olmak için, orta yükseklikte veya yüksek katlı üniteler için, D ve d arasındaki oran daha büyük olmalıdır
40'dan küçük.

Halatların maksimum ömrü ve tahrik kasnağının minimum çapı, halatların maksimum ağırlığı (dengeleme halatları dahil) ve kasnağın minimum çapı iki çift çelişkidir. Tüm asansörler için D/d=40 uygulanırsa, büyük sorunlar ortaya çıkar. Bu nedenle, yazarınız D/d ile ilgili birkaç öneride bulunmuştur:

1. Arka plân

Yazarınızın makalesi MRL Asansör Tasarım ve Geliştirme Ağustos 2020'de ELEVATOR WORLD'de yayınlandı ve EW Middle East 4'nin 2020. çeyreğinde (İngilizce ve Arapça).

Makine dairesiz (MRL) asansör tasarımı PM motoruna dayandığından, ilk değerlendirme olarak doğru PM motorunu seçmek zorunludur. Bu nedenle, 2004'ten beri PM motorları üzerinde kapsamlı bir araştırma yaptım; PM motorlarını seçmek için temel noktalar şunlardır:

• PM motorun büyüklüğü güçten ziyade uygulanan torkla belirlenir.
• PM motorun gücü, geleneksel AC motordan farklı olarak etkin hız bölgesinde değişkendir (Şekil 7).
• Kalem tipi konvansiyonel PM motorla karşılaştırıldığında, disk/düz PM motor her zaman MRL asansör tasarımı için ilk tercihtir.

Ayrıca, yazarınız maliyeti en aza indirmek için makine dairesi üstü asansörler için MRL asansör çözümleri kullanan bazı ihale başvuruları deneyimlemiştir, özellikle orta yükseklikteki binalar için bu "küçük makine dairesi" asansörlerine dikkat edilmelidir. Bir MRL asansörünün makinesini şafttan makine dairesine taşıyarak bir makine dairesi üstü asansör inşa etmek kabul edilemez.

Şekil 2, 2500 katlı bir ofis binasında 18 kg'lık bir servis asansörü için bir ihale sunumudur. Şartnameler asansörün 1.6 m/s hıza sahip olmasını ve makinenin tahrik kasnağının D/halatın d çapının en az 45 olması ve halatlamanın 2:1 olması için düz bir stilde olması gerektiğini gerektirir. Ancak ihale sunumunda makinenin D/d=40 ve 4;1 halatlamanın maksimum 1.0 m/s hıza sahip olması gerektiği belirtilmiştir.

2. Sorunlar 

Yazarınız, Mart 2024'te Çin'deki lüks bir oteldeki yolcu asansörlerinde meydana gelen bir sorunu araştırmaya davet edildi. Seyahat yüksekliği 330 m ve 1600 m/s hıza sahip dört adet 10 kg'lık yolcu asansörünün, otelin 14 yıl önce açılmasından bu yana iki kez halat değişimi yapılmıştı. 

Bunun dışında, bana sadece tahrik kasnaklarının çok aşınmış olduğu değil, aynı zamanda makinelerdeki yatakların da on yıldan az bir sürede en az bir kez değiştirildiği söylendi. Ayrıca, tahrik kasnağı millerinin bir kısmı yatakların arızalanması nedeniyle ciddi şekilde hasar görmüştü.

Halatların çapı, d=19 mm, makinelerin isim plakasında bulundu ve halat sayısı 10'du. Tahrik kasnaklarının çapı, O&M kılavuzuna göre D= 900 veya 760'tır, ancak görsel ölçümle 760 olmalıdır. Eğer öyleyse, D/d=760/19=40, ki bu da kodun ve standardın asgari gereksinimini karşılamaktadır.

Buna karşılık, aynı kapasiteye sahip iki servis asansörü vardı, ancak hızları 7 m/s idi. Tamamen aynı makinelere sahiptiler, ancak halat sayıları 10 yerine dokuzdu. Bu iki servis asansörü çok yoğundu, her gün sürekli çalışıyorlardı, ancak yukarıda belirtilen sorunları yaşamıyorlardı. 

Diğer asansör üreticilerinin verilerini kontrol ettiğimizde, üretici A'nın 1600 m/s hıza sahip 10 kg'lık asansörü, dokuz d16 halat kullanıyor ve tahrik kasnağının çapı D=900mm, D/d=900/16=56.25'tir. Alternatif olarak, üretici B'nin 1600 m/s hıza sahip 10 kg'lık asansörü, 10 d16 halat kullanıyor. Tahrik kasnağının çapı D=860mm, D/d=860/16=53.75'tir. Buradan görülebilir: Eğer D=900 ise, dokuz halatlı d=16 mm halat çapı en iyi seçenektir, çünkü halatların toplam ağırlığı en azdır.

Şekil 3'ten, d16 ipinin kütlesi 1.03 kg/m'dir. Seyahat yüksekliği 330 m ise, dengeleme ipleri dahil. 10 d16 ipinin toplam ağırlığı 6798 kg ve dokuz d16 ipinin toplam ağırlığı 6118 kg'dır.

d19 ipinin kütlesi 1.45 kg/m'dir. Seyahat yüksekliği 330 m ise, dengeleme iplerini ekleyin. 10 d19 ipinin toplam ağırlığı 9570 kg'dır. Dokuz d19 ipinin toplam ağırlığı 8613 kg'dır; fark (tek bir ipin ağırlığı) 957 kg'dır.

10 adet d19 halat ile 10 adet d16 halat arasındaki fark 9570 kg-6798 kg=2772 kg'dır. Halatlar çift sarılı olduğundan, 10 adet d19 halatın tahrik kasnağı üzerindeki statik yükü, 4026 adet d10 halat üzerindeki statik yükten 16 kg daha fazladır. 10 adet d19 halatın tahrik kasnağı üzerindeki statik yükü ise 6904 kg'dır (neredeyse 7 t), dokuz adet d16 halat üzerindeki statik yükten daha fazladır.

3. Nedenler 

MRL asansörü, PM motorlarının inovasyonunun bir sonucudur. Günümüzde, makine dairesi üstü asansörlerde AC dişli makineler veya DC dişlisiz makineler yerine PM motorları yaygın olarak kullanılmaktadır. PM motor küçük olmasına rağmen, 100 Hz AC güç kaynağı altında nominal dönüş hızının binde biri ila 10 binde biri olan geleneksel endüktif motora kıyasla etkili RPM aralığında halatlar aracılığıyla doğrudan kabini ve karşı ağırlığı sürmek için yüksek tork üretebilir. Bu nedenle, dişli kutusu asansör makinesinden çıkarılabilir. 

3.1 PM Motor Özellikleri 

T = BLR2πRA = 2BA(πR²L) = 2BAV^[1]

Burada T=tork (toplam), B=manyetik alan şiddeti, L=manyetik alandaki iletken uzunluğu, R=motorun eşdeğer yarıçapı ve V=motor hacmi (X uzunluğunun motor eşdeğer kesiti L). 

Manyetik doygunluk nedeniyle manyetik alan kuvveti sonsuza kadar artırılamaz. Torku artırmak için yalnızca iki yol vardır: motorun çapını artırmak ve/veya motorun uzunluğunu artırmak. Bu nedenle PM motorlar genellikle mümkün olan en yüksek torku elde etmek için düz (ince ancak büyük çaplı) yapılır. Büyük çaplı bir rotorun bir diğer amacı, Şekil 12'de gösterildiği gibi rotor ve tahrik kasnağı arasında daha büyük bir oran elde etmektir. 

Tork yarıçapın karesiyle orantılı olduğundan, MRL asansörleri tasarlarken (düz) bir PM motorla başlamak zorunludur.

3.2 D/d ve Halat Yaşamı Arasındaki İlişki 

Ç = T/r 

Burada F = tahrik kuvveti, T = tork ve r = tahrik kasnağının yarıçapıdır. Yeterli F'ye sahip olmanın bir yolu tahrik kasnağının yarıçapını mümkün olduğunca küçük yapmaktır. Ancak asansörler için kod ve standarda göre, kasnakların, kasnakların veya tamburların eğim çapı ile süspansiyon halatlarının nominal çapı arasındaki oran, süspansiyon halatlarının tel sayısından bağımsız olarak en az 40 olmalıdır. 

Kalem tipi bir PM motorda, D mümkün olduğunca küçük olmalıdır, bu yüzden bazı asansör üreticileri kabini ve karşı ağırlığı sürmek için halatlar yerine kayışlar kullanmayı seçmiştir. D/d'nin en az 45 olması gerektiğini belirtmek önemlidir; aksi takdirde halatlar çok hızlı bir şekilde aşınır — çok yoğun bir asansör için muhtemelen iki yıldan daha kısa bir süreye düşer. 

PFEIFER Drako tarafından sağlanan bir halat yaşam döngüsü hesaplayıcısı kullanılarak farklı (D Tahrik Makarası Çapı)/d (Halat Çapı) hesaplamalarının sonuçları:

• D = 320 mm, d = 8mm ve D/d = 40 olduğunda ortalama yaşam döngüsü = 542,000.
• D = 360 mm, d = 8 mm ve D/d = 45 olduğunda, ortalama yaşam döngüsü = 1,393,000 (yukarıdaki #2.57'in 1 katı).
• D = 400 mm, d = 8 mm ve D/d = 50 olduğunda, ortalama yaşam döngüsü = 2,011,000 (yukarıdaki #3.71'in 1 katı).
• D = 480 mm, d = 8 mm ve D/d = 60 olduğunda, ortalama yaşam döngüsü = 3,526,000 (yukarıdaki #6.5'in 1 katı).
• Avrupa'da alçak katlı konut binalarında D/d = 40'ın kabul edilebilir olduğu birçok MRL asansörü bulunmaktadır. Modern MRL asansörlerinin makineleri normalde PM motorları kullandığından, bazı üreticiler D/d'yi mümkün olduğunca 40'a yakın kullanabilir. Eğer öyleyse, özellikle ofis binalarına kurulacak asansörler için halat ömrü hesaplamasına özel dikkat gösterilmelidir.

4. Çözümler

Yazarınız geçmişte 20 katlı bir ofis projesinde danışmanlık yaptı. Tahrik kasnağının çapı D=600 mm, halat çapı d=13, sonra D/d=600/13=46.15. Kapasite 2500:3.5 halatlama ile hız=2 m/s'de 1 kg idi. Halat ömrü o zamanlar en büyük endişeydi. Son olarak, asansör yüklenicisi kapsamlı bakımın 10 yıllık halat ömrü garantisini içereceğini kabul etti.

Bu durumda, makinenin değiştirilmesi imkansızdır. Halat çift sarılı olduğundan, yuvarlak çelik halatlar yerine düz karbon fiber halatlar kullanmak da imkansızdır. Sonuç olarak, hızı dokuz halatla 10 m/s'den 7 m/s'ye düşürmek tek uygulanabilir çözümdür. 

Uygun bir trafik analizi yapılmadan, sadece yazarınızın deneyimlerine dayanarak, karma kullanımlı binanın tepesindeki otel katlarına hizmet eden 1600 m/s hızındaki dört adet 7 kg'lık yolcu asansörü yeterince iyi olmalı ve performansı tasarım kriterlerini karşılamalıdır.

5. Asansör Makinelerinin İki Türü     

Yazarınız yüksek hızlı kaldırma makinesi tasarımı hakkında bilgi aramak zorunda kaldığından, bu araştırmadan, özellikle PM motor tipleri hakkında çok sayıda ders çıkarıldı: Çeşitli uygulamalarda iki tip elektrik makinesi kullanılır; bunlar radyal akılı kalıcı mıknatıs (RFPM) makineler ve eksenel akılı kalıcı mıknatıs (AFPM) makinelerdir ve her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır.

RFPM Makinesinin Avantajları

1. Yüksek Güç Yoğunluğu: Daha küçük bir hacimde daha fazla güç üretebilirler, bu da onları alanın sınırlı olduğu uygulamalar için uygun hale getirir.
2. Olgun Teknoloji: RFPM makineleri daha uzun süredir kullanımdadır ve daha olgun bir teknolojidir, bu da bileşenler için iyi kurulmuş bir tedarik zinciri ve tasarım ve optimizasyon için daha geniş bir bilgi birikiminin mevcut olduğu anlamına gelir.
3. Daha Düşük Üretim Maliyeti: Bazı durumlarda, özellikle düşük güç uygulamaları için, RFPM makinelerinin üretimi AFPM makinelerine kıyasla daha az maliyetli olabilir.
4. Yüksek Verimlilik: RFPM makineleri, özellikle belirli uygulamalar için optimize edildiklerinde yüksek verimlilik seviyelerine ulaşabilirler.

RFPM Makinesinin Dezavantajları

1. Daha Yüksek Ağırlık
2. Daha Düşük Tork Yoğunluğu: Aynı tork çıkışını elde etmek için daha büyük boyutlara ihtiyaç duyabilirler.
3. Sınırlı Soğutma Seçenekleri: Bir RFPM makinesinin rotorunu soğutmak, AFPM makinelerine kıyasla daha zorlayıcı olabilir ve bu durum yüksek güçlü uygulamalarda termal yönetim sorunlarına yol açabilir.

AC motor hızı için temel formül: RPM = 120*F/P. F, hertz (Hz) cinsinden elektrik besleme frekansıdır ve P, motorun kutup sayısıdır. 50 Hz AC güç kaynağı altında bir PM motorunun maksimum hızı, nominal veya referans hız olarak kabul edilebilir. Dönen bir gövdenin gücü P = T ω, T = tork veya "moment" (Nm), ω = açısal hız (kırmızı/s) (Şekil 7) olarak ifade edilebilir ve güç çıkışı sabittir; bu nedenle, bir PM motorunun etki aralığı nominal hızın bir ila 100 binde biridir (50 Hz altında).

AFPM Makinelerinin Avantajları

1. Kompakt Tasarım: Alanın sınırlı olduğu veya ağırlık azaltımının kritik olduğu uygulamalarda avantajlı olabilir.
2. Daha Yüksek Tork Yoğunluğu: Daha küçük bir pakette daha yüksek tork çıkışı elde edebilirler.
3. Verimli Soğutma: AFPM makinelerinde akı yolunun eksenel düzenlenmesi daha verimli soğutmaya olanak sağlar.
4. Esnek Kurulum: AFPM makineleri çeşitli konfigürasyonlara kolayca entegre edilebilir, bu da kurulumu basitleştirebilir ve bakım gereksinimlerini azaltabilir.

AFPM Makinelerinin Dezavantajları

1. Daha Yüksek Üretim Maliyeti
2. Sınırlı Tedarik Zinciri: AFPM makinelerine özgü bileşenler için tedarik zinciri, RFPM makineleri için olduğu kadar iyi kurulmuş olmayabilir; bu da özel bileşenler için daha uzun teslim sürelerine ve daha yüksek maliyetlere yol açabilir.
3. Karmaşık Tasarım: AFPM makinelerinin tasarımı, manyetik akı yolları ve soğutma kanalları gibi faktörlerin dikkatlice dikkate alınmasını gerektirir.  

Eksenel akılı PM motorlara ek olarak, bir Çinli uzman yazarınıza şu soruyu sormuştur: "2250 m/s hızla çalışan 2250 kg/10 kg'lık çift katlı asansörler için, bir üreticinin makinesinin ağırlığı 7500 kg iken, rakiplerinin makinelerinin ağırlığı normalde en az 15,000 kg'dır?" Benim cevabım, makinenin tek taraflı radyal akılı PM motorlar yerine çift taraflı eksenel akılı PM motorlara sahip olmasıydı. 

Aslında, üreticinin satış broşürüne bakıldığında, 2250 kW çıkış gücüne ve D=2250mm'ye sahip 10 m/s'de 330 kg/1200 kg çift katlı asansörlerin ağırlığı 6150 kg yerine 7500 kg'dır. Halatlar 14 X d18, 13 x d19 mm veya 12 X d22'dir. Bence 13Xd19 en iyi seçenektir, burada D/d=1200/19=63.15.

6. Sonuç

Yazarınız, düz çelik halatların, karbon fiber halatların ve eksenel akı asansör makinesinin yakın gelecekte yüksek hızlı asansörler için ürün geliştirme yönü olacağına inanıyor. Halat ömrü ve yatakların arızasına karşı yapılan bu araştırmadan aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:

• 10 d19 halatın (dengeleme dahil) toplam ağırlığı 9570 kg olduğundan, bu 5.98 k'nin kapasitesinin 1600 katıdır, kapasiteyi 1600 kg'den 1350 kg'ye düşürmek tüm tertibatın toplam ağırlığını sadece 250+0.5X250=375 kg azaltabilecektir. Hem halatların ömrünü hem de rulmanların ömrünü iyileştirmeye pek faydası olmayacaktır. 
• Asansör üreticilerinin 10 m/s tek katlı yolcu asansörleri için doğru makineleri yoktu. Sonuç olarak, "bir at arabasını çekmek için bir köpek kullanıldı" (Şekil 1). 
• 10 m/s hıza sahip asansör için daha düşük değerli bir makine kullanıldığında, (F=T/r) olarak yeterli tahrik kuvvetine sahip olmak için tahrik kasnağının çapı mümkün olduğunca küçük, yani 900 mm değil 760 mm olmalıdır. Aksi takdirde makineler için 9Xd16 halat kullanılmış olurdu. 

• Çünkü 760 mm çapındaki tahrik kasnağı, d900 halatlar için 16 mm çapındakinden daha kısa temas uzunluğuna sahip olduğundan, sürtünme yeterli olmayacaktır. Sonuç olarak, halat çapı d19 yerine d16'a çıkarılmak zorunda kalacak, ancak 10 d19 halat halatların ağırlığını (telafi dahil) önemli ölçüde artıracaktır; bu nedenle, yataklar ciddi şekilde aşırı yüklenmiştir. Ayrıca, D/d tam olarak 40'a eşit olduğundan, 10 d19 halatların beş yıl içinde yıpranması çok olasıdır.
• 10 m/sn hızı, artan hız ve aşırı halat ağırlığı ile birlikte 42.8 m/sn'den %7 daha hızlıdır. %42.8 daha uzun hızlanma ve yavaşlama süresi, rulmanların birkaç yıl içinde bozulmasına neden olacaktır. Öte yandan, 10 m/sn hızı, 7 m/sn PM makinesinin etkili hız aralığının dışında olabilir (Şekil 7).  
• Eksenel akı makinesinin en büyük dezavantajı, sınırlı tedarik zincirinin bir sonucu olarak üretim maliyetidir. Ancak, yüksek hızlı asansör makinelerine getirilen büyük fayda ile karşılaştırıldığında, ek maliyet göz ardı edilebilir. Öte yandan, Eksenel akı makinesinin teknolojisi iyi bir şekilde yerleşmiştir ve eksenel akı asansör makinesinin patenti (Şekil 12) 2016'dan beri sona ermiştir, bu nedenle Eksenel akı makinelerinin üretim maliyetlerinin giderek düşmesi beklenmektedir.

Eksenel akılı tek sargılı asansör makinesi, özellikle çift katlı asansörler olmak üzere yüksek hızlı asansörler için ilk tercihtir, çünkü yapısı en basit olanıdır ve makinenin ağırlığı geleneksel radyal akılı makinenin yarısından daha azdır. 

Seyahat yüksekliği 500 m'den fazla olduğunda, hafif karbon fiber halatlı Eksenel akılı asansör makinesi ciddi olarak düşünülmelidir.

7. Yazarın notları 

Kodlar ve standartlar kalite yerine güvenlik için asgari gerekliliktir. Asansör üreticileri için (Şekil 2'deki gibi), ürünlerini pazara sunmak için yalnızca asgari güvenlik gerekliliğini karşılamak kabul edilebilir değildir.

En az 40'lık D/d, güvenliğin asgari gereksinimidir, ancak tüm asansörler için uygun değildir. Bu nedenle, yazarınız tarafından birkaç öneri verilmiştir:

• Asansörün hızı 1.6 m/sn (dahil)'den az ise D/d'nin en az 40 olmasına izin verilir.
• Hız 2 m/s'den (dahil) büyük ve 3.5 m/s'den (dahil) küçük olduğunda D/d en az 45 olmalıdır.
• Asansörün hızı 4 m/s'den büyük (dahil) ancak 7 m/s'den küçük (dahil) ise D/d en az 50 olmalıdır.
• Asansörün hızı 8 m/s'den (dahil) büyük olduğunda D/d en az 55 olmalıdır. 
• Çelik halatlar ile demir tahrik kasnağı arasındaki sürtünme katsayısı tipik olarak 0.15-0.3'tür ve oldukça kararlıdır. Ancak kaplanmış çelik kayışlar arasındaki sürtünme katsayısı yalnızca çok geniş değildir (0.176-0.784).^[6] Ayrıca, hizmette ne kadar uzun süre kalırsa, katsayı o kadar büyük olur. Bu, aşırı çekişe neden olur. Metal olmayan halatın, kıyıya çekilmiş çelik kayışlarla benzer sürtünme katsayısına sahip olduğuna inanılır. Bu nedenle, dikey taşımacılıkta (VT) çekiş kuvveti olarak metal-metal sürtünmesi kullanılır. Asansör kabini yüksek hızda yukarı çıkarken acil bir durma meydana geldiğinde, sürtünme çok büyükse metal olmayan halatlar ve tahrik kasnağı çok az kayma sürtünmesine sahip olacaktır. Bu, karşı ağırlığın aşağı inmesini durdurmak için büyük bir kuvvete neden olacaktır. İtici güç F×Δt=M×(V2-V1) olduğundan, Δt çok kısa olduğundan, F çok büyük olacak ve tüm sistemde büyük sorunlara neden olacaktır. Bu nedenle yazarınız, ultra hafif halatların yüksek hızlı asansörler için uygun olmadığını düşünüyor. Ancak, asansör makinesinin frenlerine ABS (kilitlenme önleyici fren sistemleri) koymak bir çözüm olabilir.

Referanslar

[1] MRL Asansör Tasarım ve Geliştirme, ELEVATOR WORLD Ağustos 2020 Sayısı ve EW Middle East Q4 2020 içinde. 

[2] A systematic review on current research and developments on coreless axial-flux permanent-magnet machines - Habib - 2022 - IET Electric Power Applications - Wiley Online Library

[3] PMSM Sürücü Özellikleri ve Kısıtlama Eğrileri, uk.mathworks.com

[4] KONE Satış Broşürü 

[5] THYSSENKRUPP DRIVE DAB530 KULLANIM KILAVUZU Pdf İndir | ManualsLib

[6] Zhong-Fang Ruizhi Uluslararası Topluluğu, Fu-Rong Bölgesi'ndeki "8.26" Asansör Arızası Yaralanma Kazası ile ilgili Rapor Araştırma Raporu ve Teknik Değerlendirme Raporu.

[7] Linkedin.com